| 研究課題/領域番号 |
21K03520
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
畠山 力三 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 名誉教授 (00108474)
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| 研究分担者 |
權 垠相 東北大学, 理学研究科, 准教授 (10360538)
美齊津 文典 東北大学, 理学研究科, 教授 (20219611)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | プラズマ制御 / ナノダイヤモンド / グラフェン / 窒素―空孔中心 / 先進機能性ナノカーボン |
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| 研究実績の概要 |
(1)本研究で活用するプラズマは, 密度(ne)と温度(Te)が低いL-プラズマ,中間のM-プラズマ, 高いH-プラズマである. 前者２つについては現有のRF(13.56 MHz)プラズマ源で対応できるので, これを用いた準備研究を行った.
(2)先ず, NV中心(NVC)内蔵ナノダイヤ(NVC-ND)・グラフェン創製となる絶縁体基板上に層数制御されたグラフェンを合成する手法を実験的に探求した. 炭素六員環が6個から12個の範囲で各々リング状に配置しているカーボンナノリングを絶縁体のサファイア基板上にスピンコートし, これにC2H5OH/H2混合のRF放電プラズマによるCVDを施した. その結果, 基板温度を1000 ℃まで上昇すると, L-プラズマ[C2H5OH/H2: 3.2x100 Torr(4.3x102 Pa)]からM-プラズマ[C2H5OH2: 3.2x10-1 Torr(4.3x10 Pa)]へと変化させると, 数層グラフェンから単層グラフェンへと推移して合成される現象を発見した.
(3)NVC-ND創出に関する準備研究としては, 過去に別のN2プラズマ実験装置で行った基板バイアス法による窒素内包フラーレン(N@C60)合成における最適N2+加速エネルギー範囲について, 本RFプラズマ源のM-プラズマを用いた場合の検証を行った. その結果, 100 eV以下のN2イオン照射エネルギー制御によりN@C60を合成することを確認できた.
(4)高温高圧法で合成された“直径5 nmのバッキーダイヤモンド”を購入し, 絶縁体の石英基板上に種付けする手法を検討した. 水や各種溶媒に溶かした後にマイクロピペット, エアブラシ, スピンコーターを用いて種付けを試みたが, 水溶液中の超音波撹拌法が簡便かつ均一性に優れていることが分かった.
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
(1)NVC-ND・グラフェン創製の鍵となる絶縁体基板上での層数制御されたグラフェン成長法開発の準備研究に多大な時間を費やしていることが主要因である. 通常用いられるCuやNi等の薄板金属触媒を使わずに済む手法を幾つか考えているが, その中の1つで新手法であるグラフェンのテンプレートとなり得るものと予想してカーボンナノリングを用いたところ, 数層から単層までの層数推移のグラフェン合成条件を見出すだけで精一杯であった. ここにおいて, コロナ禍のためにカーボンナノリング製造が中止なり, その購入・搬入が大幅に遅延したことも実験進捗が遅れた原因の1つとなった.
(2)当初計画においては, L-プラズマ及びM-プラズマに加えて, 初年度でもH-プラズマを用いてNVC-ND合成を手掛ける予定であった. しかし, L-及びM-プラズマは現有配置のRFプラズマで対応できたが, H-プラズマはこのRFプラズマ装置のアンテナ位置の変更等の大がかりな装置改造が必要となったため, 実質的な実験遂行の時間的余裕が無くなった. また, 確実にH-プラズマ生成が可能なマイクロ波放電プラズマ源の製作に関しては, μ波部品が高価であり本科研費基盤(C)の予算枠内では購入できないので, 中古物品を譲り受けて修理・改良することに決断した. 現在, 集めたμ波発振器(電源・アンプ：2.45 GHz), 導波管, ホーンアンテナ, スタブチューナーの修理等を終えて, 新装置架台の設計中であり, プラズマ実験する段階には至っていないことも研究進捗の遅れの原因となっている.
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| 今後の研究の推進方策 |
(1)絶縁体基板上への層数制御のグラフェン合成法に関しては, 上記カーボンナノリングを用いる手法に加えて急速加熱・冷却法等を取り入れて, より低温でかつ均一なグラフェン薄膜形成を目指す.
(2)H-プラズマ発生に向けて, 現有のRFプラズマ装置においてはアンテナ位置の変更後の装置整備を行い, 新製作のμ波プラズマ装置においてはその組み立てを完了する.続いて, C2H5OH又はCH4/H2(多量)/N2(微量)の混合ガス・蒸気種から成るRF又はμ波放電による H-プラズマ(ne > 1010 cm-3, Te > 5 eV)を生成・制御する.
(3)N2を導入しない場合のこのH-プラズマを用いて, ”直径5 nmのバッキーダイヤモンド”が種付けされた絶縁体の石英ガラス基板上に, 超ナノクリスタルダイヤモンド(ND: 2-5 nm)を成長させる.
(4)ここでN2を導入した後に, 基板(温度:Tsb = 900 - 1100 ℃)にRF電圧を印加し, 自己バイアス電圧の調節 (Vsb = -10 - -300 V) によりN2+の入射エネルギーを制御し, 成長中のND内にNVCの効率的創出を図る. 次に, C2H5OH/H2(少量)/CO2(極微量) [CH4の場合：H2O(極微量)追加]に対し, L-プラズマ(ne > 107 cm-3, Te > 0.1 eV)を生成し, Tsb (= 400 - 800 ℃)及びプラズマ照射時間調整によりグラフェン層数を制御してNVC-ND・グラフェンを創製する.
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| 次年度使用額が生じた理由 |
(1)[次年度使用額が生じた状況・理由]： 上記「現在までの進捗状況：遅れている」項でも述べたように, 現有のRFプラズマ発生装置を用いてのNVC-ND・グラフェン創製の鍵となる絶縁体基板上での”層数制御されたグラフェン合成法開発の準備研究”において, その成長テンプレートとなるユニークなカーボンナノリングの購入・搬入がコロナ禍のために大幅に遅延したこともあり, この実験に多大な時間経過を費やす結果となった. 従って, 本来予定していたRFプラズマ装置の改造とμ波プラズマ発生装置の新製作によるNVC-ND合成実験が行うことができなくなったので, 物品費の使用額を繰り越しせざるを得なかった次第である. 一方, 旅費の使用については, コロナ禍中での国内・国際諸国際会議がほとんどオンラインでの開催であったので, これも全て未使用額となった次第である.
(2)[翌年度分請求助成金と合わせた使用計画]： 物品費については, 現有のRFプラズマ装置におけるアンテナ位置の変更等の装置改造・整備を行うために使用する. また, 新しいμ波プラズマ装置の製作完了のために, 架台・真空容器・電気/真空部品の購入費として使用する. 旅費については, コロナ禍の鎮静を期待しているので, 対面での国内・国際諸会議出席のために使用する予定である.
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