ナノ界面プラズマと有機半導体分子の相互作用によるナノ構造を持つ新炭素材料の創成

• Project Area: Creation of Science of Plasma Nano-Interface Interactions
• Project/Area Number: 24110702
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 島田 敏宏 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10262148)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2013: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2012: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: プラズマ / 炭素材料 / ダイヤモンドライクカーボン / 有機半導体 / π電子系 / 干渉色 / ナノ界面 / 炭素固体 / C60 / ペリレン誘導体 / フタロシアニン / ラマン分光

Research Abstract

本研究では、プラズマと相互作用するナノ界面として、1ナノメートル程度の大きさを持つ有機半導体分子に着目し、有機半導体分子を原料としてプラズマを作用させナノ構造を持つ新炭素材料の合成を目指した。プラズマプロセス（化学気相堆積法：CVD)でダイヤモンドライクカーボン（DLC)を合成する過程で有機半導体分子を気相から混合する実験を行った。銅フタロシアニン(CuPc, C32H16N8Cu)をDLC製膜中に取り込ませたところ、光吸収スペクトルとラマンスペクトルから、CuPcのπ電子共役系が壊れていないこと、分子が孤立してDLC膜に取り込まれていることがわかった。
同様の実験でC60をDLC製膜中に共蒸着により取り込ませたところ、特異な光学的性質を示す薄膜が得られた。可視域で鮮やかな発色を示し、蒸着時間を変化させることにより色を変化させることができる。この発色は試料を大気中に取り出してから膜にH2Oが作用して起こることがわかった。分光エリプソメトリから、この試料は広い波長領域に対して最高3.6という高い屈折率を示す薄膜であることが明らかになった（例：ダイヤモンドはn = 2.42程度）。これが鮮やかな干渉色を示す原因であると考えられる。さらに、電子顕微鏡観察から、この物質は10-100nmの径を持つ中空の「泡」のような構造の集合体であることがわかった。泡状構造を持つ膜が生じた原因については、C60とDLCの原子の存在密度の違いからくる膜の大きなストレスが考えられる。C60は分子が中空の籠状構造を持つため、炭素材料としては例外的に密度が低い。このため、メタンプラズマとの相互作用により、C-H結合やC-C結合が生じ、さらに大気中の水分と化学反応することによってC60の籠状構造が壊れることに伴い密度が減少して隙間ができることにより泡状構造が生成すると考えることができる。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Diamond-like carbon doped with highly π -conjugate molecules by plasma-assisted CVD (2014)
  • Author(s): Wei Xie, Naoki Muraya, Takashi Yanase, Taro Nagahama, Toshihiro Shimada
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 53 Issue: 1 Pages: 10203-10203
  • DOI: 10.7567/jjap.53.010203
  • NAID: 210000143215
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of molecular structure on plasma carbonization of organic semiconductor molecules (2013)
  • Author(s): Toshihiro Shimada, Naoki Muraya, Jun Tomita, Takashi Yanase, Taro Nagahama
  • Journal Title: J. Phys. Conf. Ser. Volume: 441 Pages: 12041-12041
  • DOI: 10.1088/1742-6596/441/1/012041
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 有機半導体のプラズマ処理による新規炭素固体の創成 (2014)
  • Author(s): 島田敏宏
  • Organizer: 第52回セラミックス基礎討論会
  • Place of Presentation: 名古屋市、ウィンクあいち
• [Presentation] Synthesis of new carbon solids from organic semiconductors (2014)
  • Author(s): Toshihiro Shimada
  • Organizer: JT-AND 2014
  • Place of Presentation: タイ、バンコク
• [Presentation] Diamond like carbon doped with highly π-conjugate molecules by plasma-assisted CVD (2013)
  • Author(s): Wei Xie, Naoki Muraya, Takashi Yanase, Taro Nagahama, Toshihiro Shimada
  • Organizer: 26th Symposium of Plasma Science for Materials
  • Place of Presentation: 福岡市、九州大学
• [Presentation] Influence of Molecular Structure On Plasma Carbonization of Organic Semiconductor Molecules (2012)
  • Author(s): Naoki Muraya, Jun Tomita, Takashi Yanase, Taro Nagahama, *Toshihiro Shimada
  • Organizer: Asia-Pasific Conference on Plasma Science and Technology 11 Symposium on Plasma Science for Materials 25
  • Place of Presentation: 京都大学（京都市）
  • Year and Date: 2012-10-02
• [Presentation] 有機半導体のプラズマ炭化における分子構造の影響 (2012)
  • Author(s): 村谷直紀、富田潤、柳瀬隆、長浜太郎、島田敏宏
  • Organizer: 第73回 応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 愛媛大学・松山大学（松山市）
  • Year and Date: 2012-09-11
• [Remarks] 北海道大学工学研究院物質化学部門固体反応化学研究室
  • URL: http://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/kotai