2016 Fiscal Year Annual Research Report
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
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15J02707
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
兒玉 直人 金沢大学, 自然科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 熱プラズマ / 酸化チタン / 分光観測 / ナノ粒子 / 電子密度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成28年度(以下，本年度)では，変調型誘導熱プラズマ(MITP)を用いたナノ粒子生成時のトーチ内における原料蒸発，前駆体生成および粒子核発生の理解を中心として研究をした．MITPは，誘導熱プラズマのコイル電流をAM変調することで電流が高値をとるon-time間には高温度場を，低値をとるoff-time間には低温度場を生成可能な熱プラズマ源である．
前年度と同様に二次元分光観測システムを用いた分光観測により，酸化チタン(TiO2)ナノ粒子生成時のMITPトーチ内の温度および前駆体粒子の空間分布および時間的な変化を検討した．
その結果，MITPをナノ粒子生成に用いることで，高効率な原料蒸発および粒子核生成が可能であることを見出した．さらに，コイル電流の変調度を変えることで粒子核生成密度などを制御できる可能性を見出した．これらの結果は，効率的な原料蒸発や粒子核生成のために非常に重要な結果である．
二次元分光観測の結果を用いることで，熱プラズマトーチ内の金属蒸気混入率の推定方法を検討した．その結果，Ar-ICTPを用いたTiナノ粒子生成時における分光観測から得られた発光スペクトルの放射強度比と理論計算から得られた放射係数比を比較することで，トーチ内のTi蒸気混入率二次元分布の推定に成功した．さらに，推定されたTi蒸気混入率を用いることでトーチ内の原子，イオンおよび電子などの粒子密度の二次元分布も推定可能であることを見出した．
本年度から新たにリチウムイオン電池への応用を目的として，シリコン-炭素複合型(Si/C)ナノ粒子の生成にも取り組んだ．その結果，ナノサイズのSi，CおよびSiCを含むナノ粒子の高効率生成に成功した．
低圧DMAを用いることでTiO2ナノ粒子生成時におけるナノ粒子のin-situ分析を新たに行った．その結果，ナノ粒子生成中における粒子の粒度分析がある程度可能になった．
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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
平成28年度(以下，本年度)の研究における最大の成果は，ナノ粒子生成時の熱プラズマトーチの二次元分光観測から，トーチの原料蒸気混入率や原子，イオンおよび電子などの粒子密度の二次元分布の推定に成功した点である．これらの項目はこれまでは主に数値シミュレーションによって検討されており，数値シミュレーションの結果を検証する結果をプロセス中の熱プラズマの実験的計測から得た例は非常に少なかった．そのため，これらの結果はプロセス中の熱プラズマ計測技術の発展や熱プラズマプロセス理解のために非常に重要な成果である．また，本年度の研究で得られた粒子密度分布の推定結果を発展させることで，粒子核発生に対する定量的な評価も可能になる．
変調型誘導熱プラズマ(MITP)を用いたナノ粒子生成時におけるトーチ内の温度分布評価に呈しても，これまでは適当な観測点数点での評価のみが行えていた状況であった．プラズマ化学や材料処理の分野において『温度』は最も基本的なパラメータの一つである．そのため，今年度の研究で得られた時間的・空間的に変化するトーチ内温度場は，今後行う全ての検討に大きく影響を与える．
本年度から新たに実施した低圧DMAを用いた分析により，粒子粒度分布のin-situ計測がほぼ可能になった．これまでは粒度分布の解析のためには実験後に実験装置を全て解体して粒子の回収をしなければならなかったため，実験効率が非常に低かった．そのため，本年度の研究において成功した粒子のin-situ分析は，今後研究を円滑かつ効率的に進めるうえで非常に重要な成果である．
以上のことから，本年度の研究はおおむね順調に進展したと言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度（以下，本年度）の研究では，二次元分光観測の結果から推定された温度分布と均一核生成温度を比較することでトーチ内での核発生を検討した．しかしながらこれは非常に定性的な検討である．また，核生成モデルとして熱力学的な効果のみを考慮した古典的なモデルを用いている．そのため，より正確な検討にはイオン誘起核生成など電気的な効果も含めた核生成モデルを用いてトーチ内の核生成を定量的に考える必要がある．
本年度の研究では，二次元分光観測の結果からトーチ内の各原子，各イオンや電子などの粒子密度の二次元分布を推定した．平成29年度の研究では，本結果をさらに発展させていくことで，トーチ内のナノ粒子核前駆体粒子の過飽和状態を求め，さらに粒子核の生成密度を定量的に求める予定である．また，これまではTi励起温度から評価をしていたトーチ内温度をTiO分子の回転・振動温度二次元分布を求め評価することで，プロセス時のトーチ内の熱的非平衡性の検討および熱的非平衡状態におけるトーチ内の粒子密度分布の検討を実施する予定である．
本年度のSi/Cナノ粒子の大量生成に関わる研究では，目的とするSi/Cナノ粒子以外にも多量のSi/Cナノ粒子やCナノ粒子が生成されてしまった．SiCはリチウムイオン電池材料としては適さないため，SiC生成量を極限まで減らしつつSi/Cナノ粒子を大量生成する必要がある．そのためには，炭素源として導入するメタンの導入方法や供給量がキーポイントである．平成29年度の研究では，メタンの導入方法に重点をおいて，Si/Cナノ粒子大量生成の研究を進める予定である．
本年度の研究から低圧DMAを用いることでナノ粒子のin-situ計測が可能になった．平成29年度の研究では，低圧DMAや慣性フィルタを組み合わせることで，超単分散のTiO2粒子の大量生成にも取り組む予定である．
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