2017 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 / ゆらぎ / ナノ粒子 / 電子・電気材料 / ３Dプリンティング |
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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29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29年度までに
、①ラジカルとナノ粒子の非線形結合により、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示した。②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。③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ゆらぎを評価する手法を確立した。④ナノ粒子とプラズマの相互作用揺らぎの空間を2次元に拡張した時空間構造を初めて明らかにした⑤ナノ粒子の散乱光強度や発光強度のゆらぎについてスペクトル解析を進め、得られた相互作用ゆらぎ同士の結合状態についての情報を得る事に成功した。
研究項目（２）「ナノ粒子射出法確立」では、平成29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。加えて活性化エネルギーが従来触媒法の１／３であり、プラズマによる材料分子の分解・励起が寄与している事を示唆する結果を得た。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29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28年度の研究を継続し、ナノ粒子量揺らぎとプラズマパラメータのゆらぎ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スコピックな構造形成機構を明らかにする予定であった。これに対して、ナノ粒子の散乱光強度（ナノ粒子量）や発光強度のゆらぎのスペクトル解析から得られた2つの結合ゆらぎ（相互作用ゆらぎ）の2次元空間構造のクロスコヒーレンス解析から相互作用ゆらぎ同士の結合状態を定量的に評価することに成功した。この結果は狭分散化に重要な相互作用ゆらぎを明らかにする重要な知見であるとともに、相互作用ゆらぎのプラズマ領域全体での振る舞いを明らかにするものであり、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、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予定であった。これに対してCO2メタン化について、プラズマと触媒を併用した処理において、触媒の活性化エネルギーが従来触媒法の1/3であり、プラズマによる材料分子の分解・励起が寄与していることを示唆する結果を得た。コンパクトドリフトチューブを用いた微粒子飛跡分析装置については、プラズマCVD装置へのインストールを開始した。加えて反応性プラズマ中ナノ粒子の輸送・堆積とラジカル堆積を評価したところ、プラズマ開始直後から数十秒に亘りナノ粒子堆積が極端に低くラジカルのみが堆積するナノ粒子の堆積制御につながる現象を明らかにした。この結果は当初計画にない成果である。
以上より、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 |
最終年度となる平成30年度は、『プラズマナノ粒子３Dプリンティング』にかかわる学術基盤を構築するため、以下の2つの項目について研究する。
（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について、平成30年度は、平成29年度に引き続き、ナノ粒子量、プラズマパラメータのゆらぎ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。加えて、得られたミクロスコピックなゆらぎの結合と、系全体のマクロスコピックなゆらぎ形成の階層間の相関について議論したい。
（２）ナノ粒子輸送・固着機構の解明について、平成29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。加えて活性化エネルギーが従来触媒法の１／３であり、プラズマによる材料分子の分解・励起が寄与している事を示唆する結果を得た。③コンパクト微粒子飛跡分析装置を開発した。平成30年度は、平成29年度に引き続き研究遂行するとともに、ナノ粒子の選択堆積機構を明らかにして「プラズマナノ粒子３Dプリンティング」に関わる学術基盤を構築する。
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[Presentation] SiH4 gas flow rate dependence of Si-H2 bond density at P/I interface in aSi:H solar cells fabricated by plasma CVD2018
Author(s)
K. Tanaka, H. Hara, S. Toko, T. Kojima, S. Nagaishi, D. Yamashita, H. Seo, N. Itagaki, K. Koga, M. Shiratani
Organizer
5th Korea-Japan Joint Symposium on Advanced Solar Cells 2018, 2nd International Symposium on Energy Research and Application
Int'l Joint Research
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