反応性プラズマ中浮上帯電ダイヤモンドの3次元結晶成長法

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13878082
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 飯塚 哲 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20151227)
• 研究分担者: 金子 俊郎 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (30312599)
• キーワード: 微粒子プラズマ / ダイヤモンド微粒子 / 電子温度制御 / 微結晶ダイヤモンド / グラファイト / メタンプラズマ / 結晶核成長 / 高周波放電

研究概要

空間に浮かせたまま3次元的に結晶成長をさせることができれば、結晶は基板などに邪魔されることなく自由に成長し、純粋な結晶を作る上で極めて有用と考えられる。本研究では、低電子温度化したメタン水素プラズマ空間内に、負に帯電したダイヤモンド微粒子を浮上させ、その表面に成膜することによりダイヤモンド微粒子の空間的成長過程を明らかにする。
真空容器内にダイヤモンド微粒子浮上装置を組み立てて実験を行なった。実験装置は円筒状であり、上下の部分に分割する。下部はプラズマ源であり、13.56MHzの平行平板高周波放電を行ってプラズマを生成する。上部との境界には、竜子温度制御用のグリッドを設置し、このグリッドの位置を調整することによって上部に生成されるプラズマの電子温度を制御する。
グリッドによって低温化された上部のプラズマ領域にダイヤモンド微粒子を注入し、プラズマ中に浮上させた。2時間、4時間、8時間経過後に浮上微粒子を回収してラマン分光、及びSEMで表面を観察した。2時間のダイヤモンド微粒子の表面に数10nm程度の結晶核が多数成長してることが分かった。4時間、8時間とプロセス時間が増すにつれて、結晶核の密度及び大きさが増加することが分かった。この希晶核の成分は炭素であることが分析の結果分かった。結晶核の形状ば正四角錘のようであり、(111)面をもつダイヤモンド結晶核の発生と思われる。このとき、ダイヤモンドの外部加熱は無く、200度以下の低温でダイヤモンドが成長したものと考えられる。この条件の元で、ニッケルの基板にも同様な結晶核が観察された。本研究で用いたダイヤモンド浮上成長法は、低電子温度プラズマ中でのみ有効であることが分かった。

研究成果

• [文献書誌] S.Iizuka他: "Behaviors of fine particles in plasmas under microgravity condition"Proc. 23rd Int. Sympo. on Space Tech. and Science. 2. 1724-1729 (2002)
• [文献書誌] S.Iizuka他: "Electron temperature control for high-quality diamond formation in alow-pressure RE plasma"Proc. 9th Int. Sympo. on Advanced Materials. 37-38 (2002)
• [文献書誌] S.Iizuka他: "High-quality diamond formation by electron temperature control"Proc. Joint Conf. 16th European Conf. Atomic & Molecular Physics of lonized Gases and 5th Int. Conf. Reactive Plasmas. 2. 9-10 (2002)
• [文献書誌] S.Iizuka他: "Diamond-particles levitated in a reactive plasma"Proc. 13th European Conference on Diamond, Diamond-like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides & Silicon Carbide. 05-01-25 (2002)
• [文献書誌] 飯塚 哲他: "低圧プラズマによるダイヤモンド合成"New Diamond. 18. 18-19 (2002)
• [文献書誌] S.Iizuka他: "Caracteristic properties of fine-diamond particles levitated inhydrogen-methane plasma"Proc. 20th Symposium on Plasma Processing. 99-100 (2002)