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2023 年度 実施状況報告書

プラズマ制御によるNV中心内蔵の先進機能性ナノダイヤ・グラフェン創製

研究課題

研究課題/領域番号 21K03520
研究機関東北大学

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)

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)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
キーワードプラズマ制御 / ナノダイヤモンド / グラフェン / 窒素ー空孔中心 / 先進機能性ナノカーボン
研究実績の概要

[1] 前年度に報告したグラフェンの層数と微結晶サイズを制御可能で触媒もシーズも用いないグラフェン合成プラズマCVD法の探究過程において,その後に単層グラフェンが成長するパラメータ領域でそれより先に単層カーボンナノチューブ(SWNT)が主に成長することが新たに判明した.この事実は,今後に展開するナノダイヤモンド(ND)表面上にグラフェンの層数制御成長実験において,ダイヤモンドがSWNT成長の核形成能を発現する可能性が大きいので,そこでのグラフェンとSWNTを識別成長する上で重要な追究課題となった.
[2] そこで,プラズマエッチングの基板温度依存実験で今回見出された,エッチングと堆積が平衡状態にありグラフェン成長に最適な無垢石英基板の臨界温度700 ℃において,C2H5OH/H2混合低圧プラズマ(密度:ne,電子温度:Te)発生用RFパワー(Prf)を詳細に変えた場合のグラフェンとSWNTの成長状況に着目した.その結果,Prf=20 W(L-プラズマ:ne<10^8 cm-3, Te<0.3 eV)ではSWNTが支配的に成長し,20 W<Prf<30 W(L/M-プラズマ:ne=5x10^8 cm-3,Te=0.5 eV)ではSWNTとグラフェンが混在し,Prf>30 W(M-プラズマ:ne=10^9 cm-3, Te=1.0 eV)では基板前面のシース電場が大きくなり,すなわち基板照射イオンエネルギーの増大 (>5.0 eV) によってSWNTがエッチングされて,グラフェンのみが残存成長していることが明らかになった.
[3]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水素放電のH-プラズマ(ne>10^10 cm-3, Te>5 eV)に60分間晒すことよって,その表面を覆っているアモルファスカーボンを除去することに成功した.

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)前年の令和4年度には,NV中心(NVC)内蔵ナノダイヤ(NVC-ND)・グラフェン創製に必須となる絶縁体基板上での層数及び微結晶サイズ(Lg)が制御されたグラフェン成長法の確立に止まり,研究計画の進捗が足踏みした. 続いて今年の令和5年度には上記の研究実績概要で述べたように,新たに実験的に見出された無垢石英基板上の単層カーボンナノチューブの成長による,グラフェンとSWNTを識別成長させるという重要な追究課題が浮上したことが玉突き的に遅れた進捗状況の主要因である.
(2)加えて,限定予算の関係で保守期間を遥かに過ぎていた中古品として調達した経緯のある,C2H5OH/H2混合プラズマ発生用高周波電源(13.56 MHz)が故障し,その修理に1ヵ月以上要したことも遅れた進捗状況の一因となった次第である.

今後の研究の推進方策

(1)新製作のμ波プラズマ装置の組み立てを継続すると共に,水素プラズマ処理で表面のアモルファスカーボンが除去された高温高圧法合成の”直径5 nmのバッキーダイヤモンド”をエタノール中に0.01-1.0 wt%で分散する.これを無垢石英及びタングステン基板にスピンコートした後に, 現有のRF装置によるN2放電のH-プラズマ(ne >10^10 cm-3, Te > 5 eV)中に導入する.
(2)自己バイアスと外部印加DCバイアス電圧の調節 (Vsb = -10 - -300 V)により,各々の基板へのN2+入射エネルギーを制御し, ND内にNVCの効率的創出を図る.
(3)次に, C2H5OH/H2混合低圧プラズマ発生に切り替えた後に,Prfを増加しL-.L/M-,M-プラズマへと推移させ, Tsb (= 350 - 800 ℃)及びプラズマ照射時間(Tc)調整のもとで, グラフェン層数及びLgが制御されたNVC-ND・グラフェンを創製する.
(4)続いて μ波プラズマ装置によってC2H5OH/H2混合のH-プラズマを発生し,バッキーダイヤモンドが種付けされた基板上にナノクリスタルダイヤモンドを成長させた後に, N2プラズマに切り替えて, ND内にNVCの効率的創出を図る.ここでC2H5OH/H2混合のM-プラズマに戻して,グラフェン層数及びLgが制御されたNVC-ND・グラフェンを創製する.
(5)上記サンプルをラマン散乱分光器, 電子スピン共鳴装置, 光ルミネンス測定装置等により構造解析を行い, NVCの存在・分布を検証しNVC-NDグラフェン創製を実証する. 更に, 4探針プローバや超伝導量子干渉素子等により諸特性を測定し, 磁気・温度検出, 光電変換, 光電子メモリ等の電気・磁気・光学的新規複合機能性を実証する.

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, 新たに実験的に見出された現象に基づくグラフェンと単層カーボンナノチューブを識別成長させるという重要な追究課題が浮上したこと,及びプラズマ発生用高周波電源(13.56 MHz)の故障・修理期間が発生したことによって,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プラズマ装置と新製作μ波プラズマ発生装置を用いるNVC-ND合成実験が行うことができなくなったので, 本科研費期間延長申請をせざるを得なくなり,物品費の使用額を繰り越しことと相成った次第である.
(2)[翌年度への繰越金の使用計画]: 物品費については,新しいμ波プラズマ装置の製作完了のための電気/真空部品の購入費として使用する. 旅費については, 対面での国内諸会議出席のために使用する予定である.

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 5件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Synthesis and Characterization of Ionic Li+@C70 Endohedral Fullerene2023

    • 著者名/発表者名
      H. Ueno, D. Kitabatake, T. Mabuchi, S. Aoyagi, T.Itoh, T. Deng, F. Misaizu
    • 雑誌名

      Chemistry - A European Journal

      巻: 30 ページ: e202303908-1-6

    • DOI

      10.1002/chem.202303908

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Sequential Click Modification of a Lithium-Ion Endohedral Fullerene Connecting Small Molecules through a Dieneazide Linker2023

    • 著者名/発表者名
      S. Fujiki, T. Takada, S. Nagasawa, H. Okada, Y. Sasano, E. Kwon, Y. Matsuo, Y. Iwabuchi
    • 雑誌名

      Chem. Commun.

      巻: 59 ページ: 1237, 1240

    • DOI

      10.1039/D2CC06301H

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optical Emission Spectroscopy in Deep Oscillation Magnetron Sputtering (DOMS) of Titanium2023

    • 著者名/発表者名
      E. Yokoyama, M. Sanekata, N. Nishimiya, M. Tona, H. Yamamoto, K. Tsukamoto, K. Fuke, K. Ohshimo, F. Misaizu
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: 62 ページ: SL1008-1-7

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acce42

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Highly Efficient Intramolecular Proton Transfer in p-Aminobenzoic Acid by a Single Ammonia Molecule as a Vehicle2023

    • 著者名/発表者名
      K. Ohshimo, R. Sato, Y. Takasaki, K. Tsunoda, R. Ito, M. Kanno, F. Misaizu
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. Lett.

      巻: 14 ページ: 8281, 8288

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.3c01996

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Iron-Catalyzed Biomimetic Dimerization of Tryptophan-Containing Peptides2023

    • 著者名/発表者名
      H. Ueda, S. Sato, K. Noda, H. Hakamata, E. Kwon, N. Kobayashi, H. Tokuyama
    • 雑誌名

      Angew. Chem. Int. Ed.

      巻: 62 ページ: e202302404-1-9

    • DOI

      10.1002/anie.202302404

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] New Boro Amino Amide Organocatalysts for Asymmetric Cross Aldol Reaction of Ketones with Carbonyl Compounds2023

    • 著者名/発表者名
      Z. Begum, C. Seki, Y. Okuyama, E. Kwon, K. Uwai, M. Tokiwa, S. Tokiwa, M. Takeshita, H. Nakano
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 13 ページ: 888, 894

    • DOI

      10.1039/D2RA06272K

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] ジベンゾクラウンエーテルのアルカリ金属イオン錯体における異性化反応速度のゲストイオン依存性2024

    • 著者名/発表者名
      伊藤 亮佑、大下 慶次郎、美齊津 文典
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] On-Insulator Growth of Nanocarbons Ranging from 1D to 3D Morphology through Catalyst- and Seed-Free Plasma Chemical Vapor Deposition2023

    • 著者名/発表者名
      R. Hatakeyama1, H. Ueno, E. Kwon, F. Misaizu
    • 学会等名
      7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Structure and Application of Lithium-ion Endohedral [C60] Fullerene2023

    • 著者名/発表者名
      E. Kwon, R. Hatakeyama, K. Kawachi, Y. Kasama
    • 学会等名
      Nano Intellects 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Structure, Property and Application of Lithium-ion Endohedral [C60] Fullerene2023

    • 著者名/発表者名
      E. Kwon, R. Hatakeyama, K. Kawachi, Y. Kasama
    • 学会等名
      18International Congress on Pure & Applied Chemistry
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Structure and Energy Storage Properties of Lithium-Cation Endohedral [C60] Fullerene Salt2023

    • 著者名/発表者名
      E. Kwon, T. Matsukawa, A. Hoshikawa, T. Ishigaki, R. Hatakeyama, K. Kawachi, Y. Kasama
    • 学会等名
      Global Energy Meet (GEM) 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 金属酸化物クラスターのイオン移動度質量分析 - 3族元素酸化物の場合2023

    • 著者名/発表者名
      美齊津 文典、戴 方聞、平井 創太、三竿 洋太朗、中島 優斗、坂倉 広也、大下 慶次郎
    • 学会等名
      第71回質量分析総合討論会
  • [学会発表] 低温イオンモビリティー質量分析を用いたホスト-ゲスト化合物の包接機構の研究2023

    • 著者名/発表者名
      大下 慶次郎,伊藤 亮佑,角田 健吾,美齊津 文典
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会

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公開日: 2024-12-25  

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