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カーボン微粒子がメタンプラズマ中で成長する過程で形成されるクーロン結晶の構造変化の解析を、ビデオ画像およびミー散乱エリプソメトリを利用して行った。結晶の立体的構造は、上と横の2方向から同時に同位置をCCDビデオカメラを用いて観察した。その結果、まず微粒子の粒径が小さい(1.2〜1.5μm)ときは面心立方や休心立方の3次元的構造を、大きい(>1.8μm)ときは単純六方の2次元的構造をとることがわかった。また、3次元構造から2次元構造へと遷移するとき、一旦、構造が乱れ、液体状となることがわかった。さらに3次元構造への遷移は電極シース近傍からプラズマ側へと移行していくのに対して、2次元固体における微粒子の電極面垂直方向への直列化は逆にプラズマ側からシース側へと移っていくことがわかった。
3次元構造のクーロン結晶の格子定数を精密に調べた結果、正確にはこれまで考えられてきた休心立方格子ではなく、面心斜方格子であることがわかった。また、一旦、面心立方格子の電極面に平行に形成された(111)面に"すべり"が生じ、さらにその面内でクーロンエネルギーが最低になるように微粒子の最構成が起きたことが、実験および簡単な計算から理解された。
2次元の構造では、レーザー光の放射圧や光泳動力による外力を与え特定の微粒子のみを移動させることにより、それに働く力の定性的解析を行った。また、形成されたクーロン結晶中の微粒子をガス流れを利用して振り落とし微粒子の密度を減少させ、単純六方格子の格子定数の変化を調べた。これらの結果から、電極面垂直方向に何らかの引力の原因があり、微粒子に対してクーロン斥力との合成力が働いていることが示唆された。
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