2021 Fiscal Year Annual Research Report
時空間制御型ミクロ液相を用いたプラズマ材料プロセスの創成
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19H01885
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
伊藤 剛仁 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (70452472)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | プラズマ誘起ミクロ液相反応 / インクジェット / プリンティング / フレキシブルデバイス / 大気圧非平衡プラズマ / 粒子合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、液相が絡むプラズマ材料科学の更なる発展のための学術基盤の創成を目的とする。高度に時空間制御されたミクロ液相とプラズマとの相互作用に関する研究を通じ、プラズマ援用インクジェットプロセスの進化に取り組み、優れた配線描画プロセスや、各種デバイス開発に結び付ける。具体的には、雰囲気ガスの制御とともにプラズマ誘起液相反応場の詳細な理解をもたらすとともに、より制御性の高い材料プロセスの確立をもたらし、更には計算科学も交え、反応メカニズムの解明にもせまる計画である。
該当年度においては、前年度までに実現した、ミクロ液相が、高周波プラズマ中を通過中に再現良く蒸発されるシステムを用いた、制御性の高い粒子合成プロセスに継続的に取り組むとともに、オペランド計測と数値計算との比較を通じた現象の理解に取り組んだ。
粒子合成においては、単分散かつサイズ制御性を備えた金粒子合成を報告するのみならず、酸化亜鉛粒子やジルコニア粒子の合成にも取り組んだ。中空状粒子の合成にも成功している。
また、純水やエタノールからなるミクロ液相の蒸発過程の観察を、長距離顕微鏡とともに行うことにより、プラズマ中でのミクロ液相の蒸発過程の詳細な観察を行った。同時に、発光分光計測を中心とした、温度分布計測も行った。蒸発過程や実測温度と、数値計算とを比較することにより、プラズマからのエネルギー伝達が予測されるものよりも小さいといった知見を得た。反応の更なる理解や制御のためには、ミクロ液相周りの空間分布を理解し制御していく必要があることを示唆する結果である。
また、現象の理解のために望まれる電界計測手法として、大気圧気相雰囲気において、水素分子を用いたものとなるが、0.5 V/mmといった高感度電界計測手法の開発に成功した。
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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
当該年度までに、ガス雰囲気を制御したプラズマ雰囲気において、反応を完結させることができる状態を実現し、極めて制御性の高い粒子合成プロセスを実現してきた。更に、ミクロ液相の蒸発過程の観察を行うことも可能とし、数値モデルとの比較検証による現象の理解を進めつつある。中空粒子合成に関しても、形成条件を理解しつつある。プロセス診断においても、大気圧気相雰囲気において既報告値を大きく上回る感度を持つ電界計測手法の開発に結び付けることができており、十分な成果に結びついている。以上の様に、おおむね順調に進展していると評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、材料プロセス開発と、反応場の理解に向けた研究に継続的に取り組んでいくとともに、最終年度としてのまとめを行う。
プロセス診断においては、プラズマ雰囲気におけるミクロ液相の蒸発過程の観察を行うことができており、該当年度は、ミクロ液相周りのラジカル密度を中心に、更なる診断を続けていく。発光分光、吸収分光を中心としたミクロ液相周りのプラズマ反応場の診断に加え、振動・蛍光分光などを用いたミクロ液相の診断にも取り組み、プラズマとミクロ液相の相互作用がミクロ液相内部で誘起する反応系の理解につなげる。
プロセス開発においては、極めて制御性の高い粒子合成プロセスを実現できており、中空粒子の合成も昨年度までに確認ができている。そのため、該当年度は同システムを用い、単分散中空粒子の合成や、複合粒子の合成など、特徴ある粒子合成へと展開していく。さらに、それらで得られた知見とともに、新たなプリンティング技術へとつなげていく。
プラズマとミクロ液相との相互作用による液滴の蒸発過程において、上記観察を再現できるモデルの構築ができており、最終年度は、溶質の拡散や反応も含めた粒子合成モデルへと発展させる。上記診断やプロセス開発の結果も交え、それらを総合的に考察することで、ミクロ液相とプラズマの相互作用がもたらす液相内反応メカニズムの更なる理解につなげる。
以上を通じ、次世代のプリンティングおよび粒子合成手法の一つとしてのプラズマ援用インクジェットプロセスの確立に結び付ける。更に、ミクロ液相のみならず、プラズマ誘起液相反応全般に有用な学術基盤の構築に貢献する。
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