超強磁場中反応性プラズマ制御によるカーボンナノチューブの単独成長

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14580511
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 平田 孝道 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (80260420)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 畠山 力三 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00108474) ; 大原 渡 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (80312601) ; 金子 俊郎 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (30312599)
• Keywords: 反応性プラズマ / 超強磁場 / 反応性プラズマ制御 / カーボンナノチューブ / 単独成長 / イオン衝撃 / イオンシース電界

Research Abstract

カーボンナノチユーブ(CNTs)形成・成長のための高周波(RF:13.56MHz)反応性グロー放電プラズマは、真空容器中心に設置されたニッケル製円筒RF電極と真空容器の間で生成した。更に、超電導マグネットによる最大4Tの強磁場(Bz)を電極表面と平行方向に印加することにより、マグネトロン放電形態による実験を行った。実験結果は、以下の通りである。(1)RF反応性グロー放電プラズマの印加磁場依存性について
●弱磁場の場合、RF電極に発生する自己バイアス電位V_<RFE>は、熱速度の大きい電子がイオンよりも拡散しやすいために負(Bz【approximately equal】0T時に約-140V)になるが、磁場強度を強くすると電子の径方向への拡散が抑制され、RF電極に入射する電子とイオンの流入量が等しくなり、Bz【approximately equal】0.2Tの時にV_<RFE>が0Vとなる。さらに強磁場になると、RF電極への流入量が電子よりもイオンの方が大きくなり、V_<RFE>が正になる結果が得られた。
●電極に入射するイオンのシース電界による加速が、CNTs形成に重要な役割を果たすと考えられるため、プラズマ空間電位φ_SとV_<RFE>の差で与えられる|Vsh|(【approximately equal】V_<RFE>-Φ_S)について調べた。φ_SはBzにより大きくは変化しないため、|Vsh|はBz=0.1〜0.2Tで極小値を持ち、この時RF電極前面のシース電界が極小となることが判明した。
(2)CNTsの形成実験と印加磁場強度の関係について
●P_<RF>=1400W、P_<GAS>=0.1Torr、放電ガス混合比CH_4:H_2=9:1の条件でCNTs形成実験を行った結果、いずれの磁場強度においても、直径約200nmのCNTsがRF電極表面に確認された。更に、CNTsは|Vsh|が小さい領域よりも、大きい領域において、配向性を有して成長する傾向が見られ、CNTsが|Vsh|により形成される強いシース電界の影響を受けたものと考えられる。

Research Products

• [Publications] H.Ishida: "Experimental Study of Fullerene-Family Formation Using Radio-Frequency-Discharge Reactive Plasmas"Thin Solid Films. 407. 26-31 (2002)
• [Publications] H.Matsuoka: "Production of Fullerenes Using High-Pressure Glow-Discharge Plasmas with Reactive Gases"Abstracts of The 23rd Fullerene Nanotubes General Symposium. 91-91 (2002)
• [Publications] N.Satake: "Production of Carbon Nanotubes by Controlling Radio-Frequency Glow Discharge with Reactive Gases"Physica B. 323. 290-292 (2002)
• [Publications] H.Matsuoka: "Formation of Carbon Nanotubes Using Glow-Discharge Plasmas with Reactive Gases in Strong Magnetic Field"放電研究(放電学会誌). 45・別冊2. 95-96 (2002)
• [Publications] N.Satake: "Carbon Nanotube Growth Process in a Reactor Using Radio-Frequency Glow-Discharge Reactive Plasma"Abstracts of The 24^<th> Fullerene Nanotubes General Symposium. 53-53 (2003)
• [Publications] N.Satake: "Growth Mechanism and Structural Control of Carbon Nanotubes Produced by Using Radio-Frequency Glow-Discharge Reactive Plasma"Proceedings of The 20^<th> Symposium on Plasma Processing. 225-226 (2003)