| 研究課題/領域番号 |
21H01076
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分14030:プラズマ応用科学関連
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| 研究機関 | 名城大学 |
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研究代表者 |
内田 儀一郎 名城大学, 理工学部, 教授 (90422435)
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| 研究分担者 |
茂田 正哉 東北大学, 工学研究科, 教授 (30431521)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2022年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2021年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
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| キーワード | ナノ粒子プラズマロセス / ナノ複合材料 / 反応性流れ場 / Liイオン電池 / ゲルマニウム / ナノ粒子プラズマプロセス / 反応流れ場 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
電気自動車の長距離走行を可能とする次世代の高性能Liイオン電池の実現には、ナノ材料膜の構造制御が必要不可欠である。この課題に対し本研究では、低温プラズマ流れ場をキーパラメータとした新規プラズマプロセスにより、ナノ構造が精密に制御されたナノ複合材料膜をシングルステップで作製する。その実現のために、低温プラズマ中のガス流速を低速から高速まで系統的に制御し、ナノ複合材料膜の微細形態と多孔度を定量的に評価する。その結果に基づき最終的にナノ構造制御のための学術モデルを提案する。さらに発展として、新規プラズマプロセスで作製したGe/Snナノ複合材料を負極に用いて、高容量・低劣化Liイオン電池を実証する。
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| 研究実績の概要 |
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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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
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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| 今後の研究の推進方策 |
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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