複合化超非平衡プロセスによる225nm紫外・室温発光性BNの開発

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15360039
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 独立行政法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 小松 正二郎 独立行政法人物質・材料研究機構, 物質研究所, 主席研究員 (70343845)
• 研究分担者: 岡田 勝行 独立行政法人物質・材料研究機構, 物質研究所, 主任研究員 (10354432)
• キーワード: 窒化ホウ素 / 紫外発光 / 電界電子放出 / プラズマ / レーザー / 熱力学的臨界点 / 非線形力学系 / 自己組織化

研究概要

(1)sp^3結合性BNの非平衡流体状態からの凝縮過程による成長を新たに発見し、更にこの非線形凝縮モデルを試案し、プラズマ誘起自己触媒反応による成長機構を提案して、J.Phys.Chem.Bにおいて論文発表した。即ち、20Hz程度のパルス・エキシマレーザー・アブレーションにより発生する前駆体(流体)物質を水冷基板上にトラップしたものを高分解能電子顕微鏡観察すると、結晶化前の3次元的蜘蛛の巣状(あるいは納豆の糸状)のイメージが得られ、これが電子ビーム照射下で崩壊するのが見られ、結晶化前の前駆的流体状態の実験的示唆となった。更に、パルスレーザーに同期して発生した反応性変調プラズマ中での前駆体物質の滞在時間を制御することにより、電顕観察により著しい密度揺らぎを示す試料が得られた。これは熱力学的臨界点付近の物質の特性として知られており、本実験において前駆体物質が超臨界流体である可能性が強まった。又、菊池線を示す極めて結晶性の高い単結晶性粉体試料(10ミクロンメーター程度)が100msec以下の短時間で成長することも、BNの超臨界流体からの直接的な凝縮・結晶成長機構であることを指示した。この成長機構を非線形二次元力学系モデルとして考察し、自己触媒反応に伴う不連続な相変態として、ここでのsp^3結合性BNの成長を説明できた。
(2)紫外レーザー照射を伴うCVDによって、電界電子放出特性を利する表面形状を自己組織的に形成するsp^3-結合性5H-BN薄膜が得られ、この薄膜では、電界電子放出特性が優れていることで知られる従来のカーボンナノチューブのそれを大きく上回っていることが分かった。
(J.Phys.Chem.BのLettersで論文受理)。
(3)sp^3-結合性5H-BNの紫外発光分布を測定するため、193nm紫外光励起ICCDカメラ付きフォトルミネッセンス測定装置を開発し、実験を開始した。

研究成果

• [文献書誌] K.Okada, K.Kimoto, S.Komatsu, S.Matsumoto: "Sp^2 bonding distributions in nanocrystalline diamond particles by electron energy loss spectroscopy"J.Appl.Phys.. 93(5). 3120-3122 (2003)
• [文献書誌] K.Okada, S.Komatsu, S.Matsumoto: "Ion energy distributions and the density of CH_3 radicals in a low pressure inductively coupled CH_4/H_2 plasma used for nanocrystalline diamond deposition"J.Vac.Sci.Technol. A21(6). 1988-1992 (2003)
• [文献書誌] K.Okada, K.Kimoto, S.Komatsu, S.Matsumoto: "Preparation of nanocrystalline diamond in a low pressure inductively coupled plasma"Trans.MRS-Japan. 印刷中. (2004)
• [文献書誌] K.Okada, S.Komatsu, S.Matsumoto: "Characteristics of Broad-Band Frequency Low Pressure Inductively Coupled Plasma Used for Nanostructured Carbon Deposition"Proceedings of 16th Inter.Symp.Plasma Chemistry. CD-ROM. (2003)
• [文献書誌] S.Komatsu, K.Kurashima, Y.Shimizu, Y.Moriyoshi, M.Shiratani, K.Okada: "Condensation of sp^3-bonded boron nitride through a highly nonequilibrium fluid state"Journal of Physical Chemistry B. 108(1). 205-211 (2004)
• [文献書誌] S.Komatsu, A.Okudo, D.Golberg, D.Kazami, Y.Li, Y.Moriyoshi, M.Shiratani, K.Okada: "Electron field emission from self-organized micro-emitters of sp^3-bonded 5H boron nitride with very high current density at low electric field"Journal of Physical Chemistry B. To be published. (2004)