宇宙の謎をひも解け!グラフェンを用いた究極の超高透過率 X 線光学素子開発

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K20920
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 三石 郁之 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (90725863)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2022-03-31
• Keywords: 軟 X 線 / 飛翔体 / グラフェン / 光学素子

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、超薄膜グラフェンを用いた革新的軟 X 線用光学素子の基礎開発を完遂し、地球・宇宙観測用飛翔体や地上装置への搭載を目指すことで、地球・宇宙物理学から医学・生物学分野までにわたる様々な学術領域における研究課題への取り組みに貢献することである。
この中で本年度は特に重要なフリースタンディングサンプルに対する耐圧性を評価するため、音響試験および静加圧試験を各種サンプルに対して実施した。本試験は、単層 (フリースタンディング穴直径 10 um) / 2 層 (穴直径 10 um) グラフェンおよび 30-60 層の超薄膜グラファイト (穴直径 70 um) に対し行い、前者については JAXA つくば宇宙センターにて H-IIA ロケットの認定試験レベル (140.5 dB, 80 s) を加音し、全サンプル試験前後で基板とグラフェンの剥離や破れなどの変化がないことが確認できた。
後者の静加圧試験については、60 秒間一定の圧力 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1.0 atm を順次加え、その試験前後の表面状態を評価した。結果、1 層については 0.5 atm, 2 層については 1 atm, 超薄膜グラファイトについては 0.5 atm の耐圧性を有することが分かった。さらに 2 層グラフェンについては 1 atm の差圧環境下での耐久性も評価し、48 hrs 以上破れが生じないことも確認できた。ただし、耐圧性については穴径に大きく依存すること、転写時のシワや製膜時の触媒金属の多結晶構造に沿った破れが多くみられたことから、高機能化に向け、デザインパラメータの最適化、転写工程の改善と膜質の向上などが重要であることが分かった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

納品時期の遅れや他施設での試験実施の頻度が予想以上に少なくなったものの、インハウスでの製作・評価工程の確立に努め、おおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後はより開口効率を向上させたサンプルの試作およびその評価を目指す。開口効率の向上には、基板デザインの最適化および転写工程の改善を試みる予定であり、特に高密度基板の試作と乾燥時の素子への負荷低減を図る新たな転写工程の確立を目指す。

Causes of Carryover

旅費の使用額が予想以上に低かったこと、および物品の納品が遅れ、年度内に間に合わないこと等で次年度使用額がゼロとならなかった。また、翌年度分には雇用した技術補佐員の人件費、および物品費とその関連経費となるその他をメインとして使用予定である。

Research Products

• [Presentation] グラフェン超薄膜を用いた高機能汎用型光学素子の開発 (2021)
  • Author(s): 三石郁之, 柏倉一斗, 丹羽由美, 小川ともよ, 田原譲, 北浦良, Pablo Solis-Fernandez, 河原憲治, 吾郷浩樹, 谷口卓郎, 野本憲太郎, 小髙大樹
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] グラフェン超薄膜を用いた高機能汎用型光学素子の開発 (2021)
  • Author(s): 三石郁之, 柏倉一斗, 丹羽由美, 小川ともよ, 田原譲, 北浦良, Solis-Fernandez, 河原憲治, 吾郷浩樹, 谷口卓郎, 野本憲太郎, 小髙大樹
  • Organizer: 第21回 宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 飛翔体搭載用グラフェン超薄膜光学素子の開発 (2021)
  • Author(s): 丹羽由美, 柏倉一斗, 小川ともよ, 田原譲, 北浦良, 三石郁之, 河原憲治, 吾郷浩樹, 谷口卓郎, 野本憲太郎, 小髙大樹
  • Organizer: 2021年 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] グラフェン超薄膜を用いた 高機能汎用型光学素子の開発 (2021)
  • Author(s): 三石郁之, 柏倉一斗, 丹羽由美, 小川ともよ, 田原譲, 北浦良, Pablo Solis-Fernandez, 河原憲治, 吾郷浩樹, 谷口卓郎, 野本憲太郎, 小髙大樹
  • Organizer: 髙エネルギー宇宙連絡会研究会
• [Presentation] 超薄膜グラフェンを用いた飛翔体搭載用 軟 X 線光学素子の開発 (3) (2020)
  • Author(s): 三石郁之, 柏倉一斗, 丹羽由美, 小川ともよ, 田原譲, 堀田貴都, 北浦良, Pablo Solis-Fernandez, 河原憲治, 吾郷浩樹, 谷口卓郎, 野本憲太郎, 小髙大樹
  • Organizer: 日本天文学会2020年秋季年会