2023 Fiscal Year Research-status Report
Plasma-surface interaction in plasma-enhanced atomic-layer deposition of two-dimensional materials
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23KF0049
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
浜口 智志 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (60301826)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
VINCHON PIERRE 大阪大学, 大学院工学研究科, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2023-04-25 – 2025-03-31
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| Keywords | 単層グラフェン / ICPプラズマ / プラズマ表面相互作用 / 低エネルギーイオン / 分子動力学シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の究極の目的は、プラズマ支援原子層堆積法（PE-ALD）により、グラフェン及び単層アモルファスカーボン（MAC）の低温成膜を実現することにある。既存の成膜手法では、Cu基板を1000℃程度の高温で加熱することが必要であったが、将来の２次元半導体デバイスの製造においては、表面温度を300℃以下程度に抑え、且つ、SiO2のような絶縁体基板上にグラフェンを生成することが求められる。グラフェン等の低温成膜法は、まだ十分に研究されておらず、本研究では、PE-ALDによる低温成膜に必要な表面反応機構を、ベンゼン等の前駆体の重合反応および反応性プラズマと形成されるグラフェンおよび基板材料との相互作用に注目して明らかにする。研究手法は、プラズマ照射、プラズマ診断、および表面分析実験と表面反応数値シミュレーションを統合的に活用する。本研究の初年度である令和５年度は、グラフェンがPE-ALDで生成されたとして、プラズマ照射により、グラフェンにどのような欠陥が生成され、かつ、回復されるか、という観点から、プラズマ・グラフェン相互作用の基礎研究を進めた。当初の計画通り、令和５年に、２次元材料用PE-ALD実験装置を完成させ、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）照射装置から、グラフェン表面に制御された低エネルギーArプラズマ照射を可能とし、照射されたグラフェンのラマン分光計測を実施した。これにより、グラフェンの欠陥形成機構の関するモデル化を行い、実験結果と整合性の取れたモデル方程式の導出に成功した。一方、分子動力学（ＭＤ）シミュレーションにより、Arイオン照射による欠陥生成機構を、原子レベルで明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
令和５年度の研究では、プラズマ・グラフェン相互作用の基礎研究に集中した。プラズマ照射後のラマン分光結果と、プラズマのイオン照射エネルギー制御の研究から、グラフェンにダメージを与えるエネルギー閾値として、これまで知られていたものより、はるかに低いイオン照射エネルギーで、グラフェンに欠陥が生成されること、また、その欠陥が自己修復することを明らかにした。これらの結果は、これまでの学会の常識を覆すもので、且つ、PE-ALDプロセス中にも十分問題になりえる現象であるため、実験データ解析に加え、表面反応モデルの構築、プラズマ・グラフェン相互作用に関する分子動力学シミュレーションを実施し、それらの結果を論文にまとめ、投稿した。一方、PE-ALDの準備は順調に進めており、令和６年度にその結果が出ることが期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和６年度は、Cu およびSiO2上でのベンゼン分子のプラズマ重合実験を実施する。特に、Ar準安定粒子照射による、ベンゼン堆積面の活性化効果を詳細に調べる。数値シミュレーションでは、古典ＭＤシミュレーションおよび量子論的シミュレーションにより、SiO2基板上でのベンゼン重合反応、特に、Ar準安定粒子照射からのエネルギー供与の影響を明らかにする。特に、SiO2基板上に堆積したベンゼンやグラフェンに対するプラズマ照射では、Si-C結合形成によるグラフェンの破壊が問題となるため、こうした反応を防ぐための自己停止（self-limit）反応の可能性を実験とシミュレーションの両面から検討する。
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| Causes of Carryover |
年度末近くに急遽必要な部品が生じ、発注したが、納入が年度内に間に合わなかったため、翌年に繰り越すこととした。
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Research Products
(9 results)
