2016 Fiscal Year Annual Research Report
プラズマを用いたナノ粒子精密配置制御の学術基盤創成
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26246036
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
白谷 正治 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (90206293)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
古閑 一憲 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (90315127)
内田 儀一郎 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (90422435)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | プラズマ / ナノ粒子 / ３Dプリンティング / ゆらぎ / 電子・電気材料 / 第３世代太陽電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、申請者のこれまでの研究を発展させて、プラズマ中のナノ粒子についての研究を基に、大規模ナノシステムを自在に作製する『プラズマナノ粒子プリンティング』の実現に欠かせない学術基盤を確立することを目的とする。平成28年度は、以下の2項目について研究した。
研究項目（１）「反応性プラズマ中ナノ粒子物性のゆらぎ機構およびナノ粒子とプラズマの相互作用を起因とするナノ粒子含有プラズマの構造形成機構の解明」では、平成28年度までに
、①ラジカルとナノ粒子のカップリングの寄与により、振幅変調放電時のナノ粒子サイズ分布
が狭分散化することを理論的に示した。②ナノ粒子量とラジカル密度が非線形結合していることを確認した。③ナノ粒子とプラズマの相互作用によりプラズマのマクロスコピックな構造も変化することを明らかにした。④ナノ粒子量揺らぎを周波数分解し、特定の周波数の揺らぎに対してエンベロープ解析を適用し、ナノ粒子とプラズマの結合のエネルギー輸送過程を明らかにする手法を確立した。⑤ナノ粒子量揺らぎで現れる特定周波数の揺らぎについて、空間を2次元に拡張した時空間構造を解析し、相互作用揺らぎの時間発展を初めて明らかにするとともに、60Hzと40Hzに現れる揺らぎの基本周波数100Hzに対する相互相関を調べ、ナノ粒子量揺らぎに現れる相互作用揺らぎの時空間伝搬過程が、周波数により変化することを明らかにした。
研究項目（２）「ナノ粒子射出法確立」では、平成28年度までに、①ガス流を用いたナノ粒子輸送・配置について、レーザー散乱法と水晶振動子膜厚法を用いて評価し、プラズマ生成領域およびその時空間ダイナミクスが重要であることを明らかにした。②ナノ粒子プラズマの応用としてCO2メタン化について検討し、プラズマによる室温のガス温度で９０％のCO2変換率を実現した。③コンパクト微粒子飛跡分析装置を開発した。
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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
平成28年度当初、（１）反応性プラズマ中ナノ粒子物性の揺らぎ機構およびナノ粒子とプラズマの相互作用を起因とするナノ粒子含有プラズマの構造形成機構の解明では、平成27年度の研究を継続し、ナノ粒子量揺らぎの各非線形結合成分についてバイコヒーレンス解析、バイフェイズ解析、エンベロープ解析などのスペクトル解析を用いてエネルギー輸送過程を同定してラジカルとナノ粒子の非線形カップリングによる成長の基盤となっている非線形結合課程を明らかにすること、また相互作用における主要な過程を明らかにしマクロスコピックな構造形成を明らかにする予定であった。これに対して、各周波数揺動間の結合過程が周波数毎（相互作用ゆらぎの種類）に異なることを明らかにした。この結果は狭分散化に重要な相互作用を明らかにする重要な知見であり、当初の予定について概ね検討ができた。
（２）ナノ粒子射出法確立では、ガス流と電場を併用したナノ粒子輸送・配置制御についての検討および、ナノ粒子プラズマの応用として、ＣＯ２のメタン化について検討する予定であった。これに対して、ガス流についてのナノ粒子輸送機構について明らかにした。電場を用いたナノ粒子輸送については、これを解明するための計測システム（コンパクト微粒子飛跡分析装置）の開発に成功し、検討を可能にした。CO2メタン化について、プラズマのみの状態で常温で90%以上のCO2分解率を実現した。
以上より、現在まで概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度も、平成28年度に引き続き、（１）反応性プラズマ中ナノ粒子物性の揺らぎ機構およびナノ粒子とプラズマの相互作用を起因とするナノ粒子含有プラズマの構造形成機構の解明と（２）ナノ粒子射出法の確立を行う。
（１）「反応性プラズマ中ナノ粒子物性の揺らぎ機構およびナノ粒子とプラズマの相互作用を起因とするナノ粒子含有プラズマの構造形成機構の解明」では、、ナノ粒子量、プラズマパラメータの揺らぎについてのスペクトル解析からプラズマとナノ粒子の相互作用における主要な過程を明らかにするとともに相互作用によるマクロすコピックな構造形成機構を明らかにする。
（２）「ナノ粒子射出法確立」では、ナノ粒子プラズマを用いたCO2メタン化の研究を続けるとともに、平成２７年度に開発した微粒子飛跡分析装置を用いて、ナノ粒子の電場中での輸送過程を明らかにする。
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[Presentation] Effects of electrostatic field direction on dust accumulation to mirror in a plasma reactor2016
Author(s)
R. Katayama, T. Fang, K. Koga, D. Yamashita, H. Seo, N. Itagaki, M. Shiratani, S. Masuzaki, N. Ashikawa, M. Tokitani, K. Nishimura, A. Sagara
Organizer
26th annual meeting of MRS-J
Place of Presentation
Yokohama Port Opening Plaza
Year and Date
2016-12-20
Int'l Joint Research
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[Presentation] DC bias voltage dependence of dust transport in a compact dust trajectory analyzer2016
Author(s)
R. Katayama, T. Fang, K. Koga, D. Yamashita, H. Seo, N. Itagaki, M. Shiratani, S. Masuzaki, N. Ashikawa, M. Tokitani, K. Nishimura, A. Sagara
Organizer
17th Workshop on Fine Particle Plasmas and JAPAN-KOREA Workshop on Dust Particles 2016
Place of Presentation
National Institute of Fusion Science, Gifu
Year and Date
2016-12-20
Int'l Joint Research
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[Presentation] プラズマ中微粒子の光捕捉2016
Author(s)
大友洋, 添島雅大, 森研人, 山下大輔, 徐鉉雄, 板垣奈穂, 古閑一憲, 白谷正治
Organizer
プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部 第20回支部大会
Place of Presentation
九州大学
Year and Date
2016-12-17
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[Presentation] プラズマ中微粒子の相互作用計測2016
Author(s)
添島雅大, 大友洋, 森研人, 山下大輔, 徐鉉雄, 板垣奈穂, 古閑一憲, 白谷正治
Organizer
プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部 第20回支部大会
Place of Presentation
九州大学
Year and Date
2016-12-17
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[Presentation] 小型ダスト飛跡分析装置を用いたミラー上ダスト堆積抑制の検討2016
Author(s)
古閑一憲, 片山龍, 方韜鈞, 山下大輔, 徐鉉雄, 板垣奈穂, 白谷正治, 増崎貴, 芦川直子, 時谷政行, 西村清彦, 相良明男
Organizer
第33回プラズマ・核融合学会年会
Place of Presentation
東北大学
Year and Date
2016-12-01
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[Presentation] コンパクトドリフトチューブへのダスト入射角度に対する印加バイアス電圧の影響2016
Author(s)
片山龍, 方韜鈞, 古閑一憲, 山下大輔, 徐鉉雄, 板垣奈穂, 白谷正治, 増崎貴, 芦川直子, 時谷政行, 西村清彦, 相良明男
Organizer
第11回核融合エネルギー連合講演会
Place of Presentation
九州大学
Year and Date
2016-07-14
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[Presentation] コンパクトドリフトチューブを用いたArプラズマとグラファイト壁の相互作用により発生したダストの捕集実験2016
Author(s)
方韜鈞, 片山龍, 古閑一憲, 山下大輔, 徐鉉雄, 板垣奈穂, 白谷正治, 増崎貴, 芦川直子, 時谷政行, 西村清彦, 相良明男
Organizer
第11回核融合エネルギー連合講演会
Place of Presentation
九州大学
Year and Date
2016-07-14
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[Presentation] QCMを用いたLHD内ダスト堆積量のその場測定2016
Author(s)
古閑一憲, 片山龍, 方韜鈞, 山下大輔, 徐鉉雄, 板垣奈穂, 白谷正治, 増崎貴, 芦川直子, 時谷政行, 西村清彦, 相良明男, LHD実験グループ
Organizer
第11回核融合エネルギー連合講演会
Place of Presentation
九州大学
Year and Date
2016-07-14
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[Presentation] DC biased parallel plates for reduction of dust accumulation on first mirror2016
Author(s)
M. Shiratani, R. Katayama, K. Koga, D. Yamashita, H. Seo, N. Itagaki, S. Masuzaki, N. Ashikawa, M. Tokitani, K. Nishimura, A. Sagara
Organizer
International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices (22nd PSI)
Place of Presentation
Pontifical Urbaniana University, Roma
Year and Date
2016-05-31
Int'l Joint Research
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