2019 Fiscal Year Annual Research Report
Synthesis of functional composite thin films using a reaction field at a plasma/liquid interface
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19H01888
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
白藤 立 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (10235757)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
呉 準席 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (90533779)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | プラズマ / 液体 / 界面 / 材料プロセス / 薄膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
基板を有さないフリースタンディングな導電性薄膜の液面上でのワンポット合成プロセスの実現に向けた研究に取り組んだ．原料として，導電性ポリマーとして知られているPEDOTのモノマーであるEDOTを用いた．EDOTの液面上で生成するプラズマとして，ArまたはHeの誘電体バリア放電プラズマを用いた．
最初の試みとして，スライドガラスに滴下した微量のEDOT液滴の液面上でArプラズマ，およびHeプラズマを生成し，プラズマと接触したEDOTの構造変化を調べた．どちらの場合も，EDOTの流動性が低下した．Arプラズマの場合には，黄色液体であったEDOTが褐色に変化するのに対し，Heプラズマの場合には，PEDOTに類似した黒色に変化した．得られた物質を赤外吸収分光によって分析したところ，どちらの場合も，プラズマと接触した後の物質は，EDOTモノマーの重合体であったが，Heプラズマを用いた方が高い重合度を示した．
次に，上記の液滴よりも容量の多いEDOTをガラス製のシャーレに入れ，その液面上でArプラズマ，およびHeプラズマを生成した．その結果，黄色液体であったEDOTがプラズマとの接触によって褐色の液体に変化した．変化後の液体がEDOTモノマーの重合体であることは，赤外吸収スペクトルの解析によって確認した．しかし，液面上に薄膜が形成されるという現象は観測されず，液体全体が変化した．一方，ポリスチレン粉末をEDOTに溶かし込んだ液体を原料として用いたところ，プラズマと接触することによって，その液面上に薄膜状の物質が形成された．その赤外吸収スペクトルを計測したところ，液面上の物質がEDOTとポリスチレンが重合した混合物であることがわかった．また，液面下に残された液体は重合していなかった．これは，プラズマの液体の界面だけでEDOTの重合物が形成されたことを意味している．
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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
本研究計画を申請した時点では，プラズマと液体が接する界面を用いたフリースタンディング膜形成の事例は，金箔や銀箔などの金属薄膜の形成や，申請者によって発見された金ナノ粒子を含有するゼラチンポリマー薄膜の形成だけであった．
本年度の研究では，導電性ポリマーであるPEDOTに類似した薄膜を，EDOTモノマーを用いて液面上で合成することを試みた．当初，EDOTモノマーだけでは，液体全体がプラズマによって改質されてしまい，液面上に膜が形成されなかった．しかし，EDOTモノマーとスチレン粉末の混合用いることによって，液面上に膜が形成されることが明らかとなった．
プラズマと液体の界面反応場を利用することによって，液面上にEDOTの重合体が形成されるという研究成果は，これまでに報告されたことのない成果である．得られた膜の膜厚制御，膜構造制御，利用する際のハンドリング方法など，実用に向けて解決しなければならない課題は多いが，EDOTがこのような形態で薄膜化できるという基本的な条件を見いだすことができたことから，本研究は概ね順調に進展していると自己判定した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，スチレン添加量や放電条件を可変し，本手法によって形成される膜の化学的構造と電気的特性の成膜条件依存性を明らかにする．また，本年度の研究では，放電ガスとして希ガス（アルゴンとヘリウム）だけを用いていたが，次年度の研究では，酸素ガスの添加が及ぼす影響についても調査する．これは，EDOTの重合体に電気伝導の担い手であるキャリアを導入するために，酸素ドーピングが有効であることが知られているからである．なお，本年度の研究により，EDOT蒸気の発生が放電の阻害因子となり，狭い範囲の条件でしか安定した放電を実現することができないという知見も得ている．そこで，次年度は，液体が関与する放電において安定放電が得られやすいことが知られている高周波領域での放電特性を調査する．そのために，周波数領域を従来の数十 kHzから数百 kHzに拡張できる電源を導入し，液面上で成膜可能なプロセス条件の拡大を図る．
また，数値シミュレーションや診断によって，液体と接するプラズマを用いた材料プロセスにおける気相中の化学種や液相中の化学種の物理化学的な基本的な挙動を理解するための研究についても並行して推進し，将来の実用化の際に基盤となる知見を蓄積する．
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