変調型誘導熱プラズマを用いた高純度機能性ナノ粒子の大量生成法の開発

• Project/Area Number: 15J02707
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Plasma science
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 兒玉 直人 金沢大学, 自然科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 熱プラズマ / 酸化チタン / 分光観測 / ナノ粒子 / 電子密度 / 粒子密度 / シリコン / 誘導熱プラズマ

Outline of Annual Research Achievements

誘導熱プラズマ(ICTP)を用いたナノ粒子生成の高効率化のためには，プロセス時の熱プラズマ中に含まれる様々な粒子の数密度やガスの特性(導電率など)の時空間的な分布を明らかにすることが必要である．以上のことから平成29年度(本年度)は，ICTPを用いたTiおよびTiO2ナノ粒子生成時における熱プラズマ中の粒子数密度およびガス特性に対する二次元分布計測を中心として研究を行った．
前年度と同様に，二次元分光観測系を用いてTiナノ粒子生成中のICTPトーチを観測することで，特定の原子スペクトルに対する二次元放射強度分布を得た．理論計算を用いることで特定の原子スペクトルに対する放射係数を求めた．そして，特定の原子スペクトルに対する放射強度の観測値と放射係数の理論計算値をフィッティングさせることで，Ar-Ti ICTP中のTi上記混入率分布を推定した．さらに推定されたTi上記混入率などを用いることで，計測値を基にしてAr-Ti ICTP中の粒子密度や導電率の二次元分布や電力密度分布を推定可能であることを見出した．
同様の手法をTiO2ナノ粒子生成時のICTPトーチに対して用いることで，TiOやTiO2などの分子に対する二次元数密度分布の推定に世界で初めて成功した．
新規の熱プラズマ源として，タンデム-変調型誘導熱プラズマ(T-MITP)の開発にも着手した．T-MITPはICTPの石英管の周囲にコイルが直列に二つ接続された構造になっている．それぞれのコイルには独立した高周波電源が接続されている．この電源からコイルに供給される高周波電流を，それぞれ振幅変調制御することで，トーチ内に生成されるプラズマの時空間的な制御が可能である．本年度はAr T-MITPを立ち上げSiナノ粒子生成に応用した．その結果，Ar T-MITPを用いることでSiナノ粒子の安定した大量生成が可能であることを見出した．

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Spatial distribution of Ti vapor admixture ratio in Ar induction thermal plasma torch during Ti feedstock injection (2018)
  • Author(s): Kodama Naoto、Tanaka Yasunori、Ishisaka Yosuke、Shimizu Kotaro、Uesugi Yoshihiko、Ishijima Tatsuo、Watanabe Shu、Sueyasu Shiori、Nakamura Keitaro
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Issue: 3 Pages: 036101-036101
  • DOI: 10.7567/jjap.57.036101
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spatiotemporal distribution of thermal plasma temperature and precursor formation in a torch during TiO2 nanopowder synthesis (2017)
  • Author(s): Kodama Naoto、Tanaka Yasunori、Kita K、Ishisaka Y、Uesugi Y、Ishijima T、Sueyasu S、Nakamura K
  • Journal Title: Plasma Sources Science and Technology Volume: 26 Issue: 7 Pages: 075008-075008
  • DOI: 10.1088/1361-6595/aa73ca
  • NAID: 120006336016
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fundamental study of Ti feedstock evaporation and precursor formation process in inductively coupled thermal plasmas during TiO2 nanopowder synthesis (2016)
  • Author(s): Naoto Kodama, Yasunori Tanaka, K. Kita, Y. Ishisaka, Y.Uesugi, T.Ishijima, S.Sueyasu, K.Nakamura
  • Journal Title: Journal of Physics D: Applied Physics Volume: 49 Issue: 30 Pages: 305501-305501
  • DOI: 10.1088/0022-3727/49/30/305501
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 誘導熱プラズマを用いたFe3+-doped TiO2ナノ粒子生成時における熱プラズマ内の前駆体TiO分子密度分布の推定 (2018)
  • Author(s): 兒玉直人，石坂洋輔，清水光太郎，隠田一輝，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，渡邉周，中村圭太郎
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Ar誘導熱プラズマへのTi原料供給時におけるトーチ内のTi励起温度およびTi蒸気混入率の二次元分布の推定 (2017)
  • Author(s): 兒玉直人，石坂洋輔，清水光太郎，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，渡邉周，中村圭太郎
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県，横浜市)
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Two-dimensional distribution of Ti vapor admixture ratio and Ti atomic density in the Ar ICTP torch during Ti feedstock injection (2017)
  • Author(s): N. Kodama, Y. Ishisaka, K. Shimizu, Y. Tanaka, Y. Uesugi, T. Ishijima. S. Sueyasu, S. Watanabe, K. Nakamura
  • Organizer: The 23rd International Symposium on Plasma Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimation of Ti excitation temperature and power density distribution in the Ar induction thermal plasma during Ti feedstock injection (2017)
  • Author(s): N. Kodama, Y. Ishisaka, K. Shimizu, Y. Tanaka, Y. Uesugi, T. Ishijima. S. Sueyasu, S. Watanabe, K. Nakamura
  • Organizer: The 10th Asian Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ar誘導熱プラズマへのTi原料供給時におけるトーチ内の導電率の二次元分布の推定 (2017)
  • Author(s): 兒玉直人，石坂洋輔，清水光太郎，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，渡邉周，中村圭太郎
  • Organizer: 電気学会プラズマ/パルスパワー/放電合同研究会
• [Presentation] Ar誘導熱プラズマへのTi原料供給時におけるトーチ内のTi励起温度およびTi蒸気混入率の二次元分布の推定 (2017)
  • Author(s): 兒玉直人，石坂洋輔，清水光太郎，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，渡邉周，中村圭太郎
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] パルス変調型誘導熱プラズマおよび原料粉体の同期間歇供給を用いたAl3+-doped TiO2ナノ粒子の大量生成法の開発 (2017)
  • Author(s): 兒玉直人，北健太郎，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，渡邉周，中村圭太郎
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Large-scale synthesis of nanomaterial using inductively coupled thermal plasma and visualization of nanoparticle synthesis field in the thermal plasma torch (2017)
  • Author(s): N. Kodama，Y. Ishisaka，K. Shimizu，K. Onda, Y. Tanaka，Y. Uesugi，T. Ishijima，S. Watanabe，S. Sueyasu，K. Nakamura
  • Organizer: 微粒子プラズマ研究会
  • Invited
• [Presentation] TiO2ナノ粒子生成中のパルス変調型誘導熱プラズマに対するコイル電流の変調効果の分光学的検討 (2016)
  • Author(s): 兒玉直人，石坂洋輔，清水光太郎，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，中村圭太郎
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ(新潟県，新潟市)
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] TiO2ナノ粒子生成中の誘導熱プラズマトーチ内における二次元温度分布および粒子核生成過程の検討 (2016)
  • Author(s): 兒玉直人，石坂洋輔，清水光太郎，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，中村圭太郎
  • Organizer: 電気学会プラズマ研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学(大阪府，大阪市)
  • Year and Date: 2016-08-08
• [Presentation] 2-D temperature estimation in Ar-O2 induction thermal plasmas for TiO2 nanopowder synthesis (2016)
  • Author(s): 兒玉直人，北健太郎，石坂洋輔，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，中村圭太郎
  • Organizer: High Technology Plasma Processes, Germany
  • Place of Presentation: University of Bundeswehr Munich(Germany, Munich)
  • Year and Date: 2016-07-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimation on two-dimensional distribution of Ti excitation temperature during Ti feedstock injection into Ar induction thermal plasma torch (2016)
  • Author(s): 兒玉直人，北健太郎，石坂洋輔，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，中村圭太郎
  • Organizer: International Congress on Plasma Physics, Taiwan
  • Place of Presentation: Kaohsiung exhibition center(Taiwan, Kaohsiung)
  • Year and Date: 2016-06-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TiO2ナノ粒子生成中のICTPトーチ内におけるTi励起温度二次元分布 (2016)
  • Author(s): 兒玉直人，北健太郎，石坂洋輔，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，中村圭太郎
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Investigation of evaporation of Ti feedstock and formation of precursor molecules during TiO2 nanopowder synthesis in induction thermal plasma with time-controlled feedstock injection (2015)
  • Author(s): 兒玉直人，北健太郎，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，中村圭太郎
  • Organizer: 9th International Conference on Reactive Plasmas/ 68th Gaseous Electronics Conference/ 33rd Symposium on Plasma Processing
  • Place of Presentation: USA，ハワイ
  • Year and Date: 2015-10-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] O原子，Ti原子およびTiO二次元放射強度分布の時間変化-原料間歇投入を伴う熱プラズマ法を用いたTiO2ナノ粒子生成- (2015)
  • Author(s): 兒玉直人，北健太郎，石坂洋輔，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，中村圭太郎
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 熱プラズマによるTiO2ナノ粒子生成中のTi原子およびTiO分子生成過程の分光学的検討 (2015)
  • Author(s): 兒玉直人，北健太郎，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，中村圭太郎
  • Organizer: 電気学会プラズマ研究会
  • Place of Presentation: 広島大学
  • Year and Date: 2015-08-10
• [Presentation] Investigation of evaporation of Ti feedstock and formation of precursor molecules during TiO2 nanopowder synthesis in induction thermal plasma with time-controlled feedstock feeding (2015)
  • Author(s): 兒玉直人，北健太郎，田中康規，上杉喜彦，石島達夫，末安志織，中村圭太郎
  • Organizer: 22nd International Symposium on Plasma Chemistry
  • Place of Presentation: ベルギー，アントワープ
  • Year and Date: 2015-07-05
  • Int'l Joint Research
• [Patent(Industrial Property Rights)] ナノワイヤの製造方法 (2015)
  • Inventor(s): 田中康規，兒玉直人，北健太郎，石坂洋輔，中村圭太郎，末安志織
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人金沢大学，株式会社日清製粉グループ本社
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2015-241913
  • Filing Date: 2015-12-11