Proof of principle of high Q radiofrequency cavity deposited with graphene

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25390143
• Research Institution: Japan Synchrotron Radiation Research Institute
• Principal Investigator: 出羽 英紀 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 加速器部門, 副主幹研究員 (20360836)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 水野 明彦 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 加速器部門, 副主幹研究員 (30360829) ; 冨澤 宏光 公益財団法人高輝度光科学研究センター, XFEL利用研究推進室, 副主幹研究員 (40344395) ; 谷内 努 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 加速器部門, 副主幹研究員 (60360822)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: グラフェン / 熱CVD / ラマン分光計測 / 高周波 / 高周波空洞 / 無酸素銅 / 加速器

Outline of Annual Research Achievements

グラフェンは加速器用高周波空洞の材料として用いられる無酸素銅よりも電気伝導度や熱伝導度が大きく、高周波空洞用材料として優れた性質を有している。しかし高周波空洞にグラフェンをCVD成膜する研究はこれまでなかった。そこで空洞を成膜できる大型のCVD装置を開発するところから研究を始め、今回グラフェンを空洞表面に成膜することを試みた。
銅箔上に熱CVDでグラフェンが成膜できることがよく知られている。これを応用して無酸素銅の空洞の内面に熱CVD法でグラフェンを成膜することを計画した。開発した熱CVD装置は石英管を備えた真空装置、電気炉およびCVD用ガス供給装置から構成され、最大外径100mmの空洞に成膜できるように設計された。
まずグラフェン成膜の条件出しのため、表面状態の異なる2種類の無酸素銅薄膜に対して、H2,CH4,Arの混合ガスを用いて、CVD成膜を行った。2種類の無酸素銅薄膜のどちらにもグラフェンが成膜されたことをラマン分光測定のGバンドおよびG'バンドのピークにより確認した。また２つのピークの比から、グラフェンが単層または2層であることを確認した。
同じプロセス条件で精密旋盤による鏡面仕上げの無酸素銅のピルボックス型空洞（内径20mm、全長100mm）上にグラフェンを成膜した。CVDプロセス中に１０００度で空洞を１時間加熱したが、無酸素銅空洞には温度による変形等は特に見られなかった。空洞と同時に成膜した同じ鏡面仕上げの無酸素銅テストピースのラマン分光測定でGバンドにはピークは見られずG'バンドのピークが観測された。同時に欠陥を表すDバンドおよびD'バンドが観測されており、炭素原子が2次元平面に配列されずに欠陥を含んだ状態で成膜されていることを示している。今後成膜条件の改善および成膜された空洞の高周波特性の評価を進めたい。