準大気圧アーク放電による材料プロセスの新展開：He誘起繊維状ナノ構造の高速形成
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21K04028
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21010:Power engineering-related
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
菊池 祐介 兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (00433326)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
齋藤 誠紀 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (40725024)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 準大気圧ヘリウムアーク放電 / 繊維状ナノ構造 / タングステン / プラズマ表面処理 / 準大気圧アーク放電 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，準大気圧アーク放電を用いて，従来の低ガス圧プラズマ装置の10倍以上の高密度プラズマを生成し，材料表面が黒色化する繊維状ナノ構造を高速形成する世界初の技術を開発する。特に，高い中性ガス圧力下において，試料に照射されるヘリウム入射イオンエネルギーを制御し，繊維状ナノ構造形成への効果を明らかにする。本研究から，将来の産業応用に資する低コスト・高速形成技術を構築し，アーク放電研究の新展開としての革新的材料プロセスの学術的基盤を得る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
ガス圧力5 kPa下にて生成したヘリウム（He）アーク放電をタングステン（W）試料に照射し，W表面に繊維状ナノ構造を形成する実験を引き続き実施した。W試料と真空容器間にバイアス電圧（Vb）を印加することで，W試料への入射Heイオンエネルギー（Ei）を制御した。実験ではVbを-22 Vから-242Vに変化させることで，Heイオン照射によるWのスパッタリング閾値（～150 eV）以上のEiを有するHeを試料温度約1000℃にて照射した。繊維状ナノ構造層の厚さの評価では、従来は試料断面をSEMで観察していたが，1つの試料で1か所しか測定ができなかった。そこで，ナノインデンターの圧子を押し込むことで圧痕を設け、その箇所をSEMで表面観察することでナノ構造層の厚さを測定する手法を開発した。これらの結果，Vbに対して繊維状ナノ構造層の厚さはロールオーバーする結果が得られた。また、バイアス電圧が大きくなるに従い、ナノ構造の太さが細くなる結果も得られた。これらの成果は第25回ISPC国際会議（2023年5月、京都）で発表予定である。一方，試料温度約2000℃の高温下でHeアーク照射実験をすることで，W試料表面に直径約1～2 μmのHeバブル・ホールを形成し，より高温下で高い熱放射特性を有する構造を目指した研究も行った。その結果は電気学会A部門大会で発表し，若手ポスター優秀賞を受賞した。
照射実験装置の改良として，照射試料導入駆動装置を製作した。モータ駆動による試料位置の調節が可能であり，試料位置の設定精度向上やプラズマ照射中の位置駆動を可能とした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
スパッタリング閾値を超える深い負バイアス電圧をW試料に印加したときの，繊維状ナノ構造の成長について調査し，成長とスパッタリングによる浸食の競合によって繊維状ナノ構造層の厚みとバイアス電圧の関係にロールオーバーが現れることを見出すことができた。また，ナノ構造の太さについても，バイアス電圧上昇により細くなっていくことから，スパッタリングの影響についても今後の検討につながるデータが取得できた。これらの結果から，計画通り研究を推進できたと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
試料バイアス電圧と照射時間に対する繊維状ナノ構造層の厚さを詳細に測定し，繊維状ナノ構造層の成長過程を明らかにする。また，ガス圧力等を変化させて，繊維状ナノ構造形成の最適条件を明らかにする。試料導入駆動装置により試料位置を移動させながらプラズマ照射し，黒色化面積の拡大についても試みる。また，低ガス圧プラズマ照射による繊維状ナノ構造の成長過程との比較も実施する。
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Report
(2 results)
Research Products
(10 results)
