2020 Fiscal Year Research-status Report
Application of optical vortex spectroscopy to process plasma and development to new material creation
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18KK0079
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
荒巻 光利 日本大学, 生産工学部, 教授 (50335072)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉村 信次 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (50311204)
寺坂 健一郎 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (50597127)
矢澤 翔大 日本大学, 生産工学部, 助教 (10737951)
小林 弘和 高知工科大学, システム工学群, 准教授 (60622446)
戸田 泰則 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00313106)
鹿野 豊 慶應義塾大学, 理工学研究科(矢上), 特任准教授 (80634691)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2023-03-31
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| Keywords | 光渦 / プラズマ分光 / 吸収分光法 / レーザー誘起蛍光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，光渦分光法をプロセスプラズマに適用することでプラズマの制御性を格段に向上させ，そのプラズマ源を材料開発に応用することである．これまでにドイツおよびデンマークでの実験に備えた装置開発および予備実験を進めている．ドイツ・ルール大学との共同研究では，容量結合プラズマ（CCP）と基板の境界であるシース内における，イオン流速の測定を目的としている．CCPは広くプラズマプロセスで用いられており，シース内で基板に垂直方向に加速されたイオンのエネルギーは，膜質を左右する重要なパラメータである．本研究では，基板に平行な方向から入射した光渦によって，基板に垂直な方向のイオン流速を測定することを目指している．
光渦LIF計測に関しては，ルール大学ボーフム校の非対称容量結合RFプラズマ装置のシース領域における計測を想定した受光システムを構築し，核融合科学研究所のHYPER-I装置を用いた予備実験を実施している．２インチのフレネルレンズおよびマルチモードファイバーから構成される受光システムを採用し，ビーム集光位置近傍を高空間分解能で計測可能な受光計を製作した．また，光渦LIFに関する成果は，論文として発表している(Japanese Journal of Applied Physics, DOI 10.35848/1347-4065/ab72cb)．光渦吸収分光に関しては，プラズマ中で吸収されながら伝搬する光渦の数値解析を行い，スペクトルの定量的な評価に向けた研究を進めている．これらの成果は，日本物理学会およびプラズマ・核融合学会にて発表している．また，2019年度に計画を前倒しして開始したデンマーク工科大学における透明電極開発用プラズマの分光実験についても予備実験を行い，測定スキームの検討を進めている．
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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
2020年度より，ドイツ・ルール大学での光渦レーザー誘起蛍光測定実験の開始を計画していたが，コロナ禍の影響で延期となっている．また，国内共同研究者間でも人の移動を伴う研究を自粛しており，所属機関での研究開発を主に進めている．本年度はルール大学ボーフム校の非対称容量結合RFプラズマ装置のシース領域における光渦LIF計測を想定した受光システムを構築し，核融合科学研究所のHYPER-I装置を用いた予備実験を実施した．２インチのフレネルレンズおよびマルチモードファイバーから構成される受光システムを採用し，ビーム集光位置近傍を高空間分解能で計測可能な受光計を製作した．また，波長選択用の干渉フィルターと光電子増倍管から構成される光－電気信号変換系の小型化を行い，共同研究先の装置に組み込み可能なシステムを用いてLIF計測が可能であることを確認しており，計測距離の変化に伴う光学系の最適化などを進めている．光渦吸収分光に関しては，プラズマ中で吸収されながら伝搬する光渦の数値解析を行い，スペクトルの定量的な評価に向けた研究を進めている．また，2019年度に計画を前倒しして開始したデンマーク工科大学における透明電極開発用プラズマの分光実験に関連して，日本大学生産工学部にてアルミスパッタプラズマを用いた予備実験を行い，測定スキームの検討を進めている．
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度も引き続きコロナ禍の影響が予想されるため，ドイツ・ルール大学およびデンマーク工科大学での実験の実施を2022年度とすることを前提として，状況が改善した時点で速やかにドイツおよびデンマークにおける実験が開始できるよう，国内で測定系の開発と予備実験を進める．光渦レーザー誘起蛍光法の開発に関して，プラズマ内に加速電極を挿入してイオンを加速し，シース内で加速されるイオンを模擬し，その測定実験を行う．また，光渦レーザー誘起蛍光法で光渦の効果を確認できなかった場合に備え，フーリエマスクを用いた超高感度吸収分光法の開発も並行して進める．デンマーク工科大学で実施予定のプラズマプロセスへの応用では，アルミの情報が重要と予測しているため，発光分光法およびレーザー誘起蛍光法等を用いた計測を検討する．国際共同研究の実施時期については，引き続き共同研究者と密接な連携を取りつつ検討を進める．
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| Causes of Carryover |
2020年度に予定していた実験系の移設および共同研究者の海外渡航による研究の実施がコロナ禍の影響で延期となったため，予算を次年度に繰り越した．移設費は，2021年度に日本大学および核融合科学研究所からドイツ・ルール大学に波長可変レーザーおよびLIF測定系を移設するために使用する．2021年度は引き続きコロナ禍の影響で海外出張が難しいと予想されるため，2022年度に寺坂（九大）がドイツ・ルール大学，矢澤（日大）がデンマーク工科大学に長期滞在して実験を行うことを計画しており，旅費は2022年度まで繰り越す予定である．
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