2022 Fiscal Year Annual Research Report
Precise structure control of nano-composite films in low-temperature plasma reaction field with fast flow
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21H01076
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| Research Institution | Meijo University |
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Principal Investigator |
内田 儀一郎 名城大学, 理工学部, 教授 (90422435)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
茂田 正哉 東北大学, 工学研究科, 教授 (30431521)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ナノ粒子プラズマプロセス / ナノ複合材料 / 反応性流れ場 / Liイオン電池 / ゲルマニウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低温プラズマ反応性流れ場に関して、ガス流速を実験パラメータとし、ナノ粒子生成・配列現象を系統的に解析する。実験では比較的ガス圧力の高いサブTorrレンジでのプラズマスパッタリングプロセスにおいて、材料原子の供給源となるスパッタ電極の後方から成膜基板方向に放電ガスを供給し、プラズマ反応空間にガス流れを形成する。昨年度はプラズマ源(スパッタ源)を基板に向けて2つ設置し、2つのプラズマ反応流れ場をもつ実験系を構築した。放電Arガス圧力を0.3 Torrに固定し、各スパッタ源からのガス流量を25-250 sccmと高範囲に変化させて実験を行った。スパッタターゲット材料にはGe半導体とSn金属を用いた。低ガス流速から高ガス流速への変化に伴い、Ge/Ar発光強度比が大きく減少し、プラズマ密度や電子温度などのプラズマパラメータの変化が示唆された。下流で作製された薄膜に関して、低ガス流速のプラズマ反応場では、GeSnナノ粒子が凝集したナノ構造膜が形成された。一方、高ガス流速のプラズマ反応場では、直径100ミクロン程度のナノピラーが規則的に配列した特異的なナノ構造膜となった。また結晶性に関して、高ガス流速の条件でSn金属の結晶化が観測され、ナノピラーの一部がSn結晶であることが明らかになった。このようにプラズマ反応流れ場のガス流速で、ナノ構造体の形状と結晶性を多様に制御できることを新たに見出した。さらに応用展開として、高ガス流速プラズマ反応場で作製したGeSnナノピラー構造膜を負極とするLiイオン電池を試作し容量を評価した。その結果、50回の充放電サイクル後で約700 mAh/gの高容量となり、従来のカーボン負極電池の約2倍の値を得た。
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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
プラズマ源(スパッタ源)を2つ設置した2つのプラズマ反応流れ場をもつ実験系を新たに構築した。高ガス流速のプラズマ反応場で直径100ミクロン程度のナノピラーが規則的に配列した特異的なナノ構造膜が形成され、プラズマ反応場のガス流速の変化で多彩なナノ構造体を作製できることを見出した。さらに応用展開として高ガス流速プラズマ反応場で作製したGeSnナノピラー構造膜を負極とするLiイオン電池を試作し容量を評価したところ、50回の充放電サイクル後で約700 mAh/gの高容量となり、従来のカーボン負極電池の約2倍の値を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度はプラズマ源(スパッタ源)を2つ設置した2つのプラズマ反応流れ場をもつ実験系を構築し、低ガス流速から高ガス流速まで高範囲にガス流れを変化させた。その結果、プラズマ反応場のガス流速の違いで、下流に作製されるGeSnナノ構造体の形状と結晶性を制御できることを見出した。本年度はそのメカニズム解明のために、気相空間での2つのガス流れの混合状態を低ガス流速から高ガス流速まで詳細に解析し、下流領域で作製される多彩なナノ構造体との相関を明らかにする。またGeとSnの2元材料で構成された特異的なナノピラーの微細構造をSEM、AFM、TEM、EDX、XRD、ラマン分光を用いて詳細に解析し、その直径や密度を制御できる新たな高ガス流速プラズマ反応場を確立する。さらにGeSn以外の他の2元材料(SiSnなど)へと本材料プロセスを広く展開する。応用展開として各種2元材料ナノ構造膜を負極とするLiイオン電池を作製し、容量の充放電サイクル特性を評価する。最終的に従来のカーボン負極Liイオン電池以上の高容量と低劣化を両立する電池駆動を実証する。
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