Rapid deposition of oxide semiconductor film by innovative atmospheric solution precursor spray using vortex thermal plasma flow

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K03918
• Research Institution: Ashikaga University
• Principal Investigator: 安藤 康高 足利大学, 工学部, 教授 (60306107)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西山 秀哉 大阪大学, 接合科学研究所, 招へい教授 (20156128) ; 田中 学 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (20243272) ; 茂田 正哉 東北大学, 工学研究科, 教授 (30431521)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: プラズマ溶射 / 熱プラズマ / CVD / 酸化物半導体 / 光触媒 / 旋回流プラズマ / 酸化チタン

Outline of Annual Research Achievements

液相前駆体プラズマ溶射（Solution Precursor Plasma Spray; SPPS）は、液相前駆体を出発原料とする薄膜形成プロセスであり、CVD、PVD、噴霧熱分解法等の従来プロセスに比べて薄膜の高速形成が可能であることから、機能性薄膜の高速形成プロセスとしての実用化が期待されている。実際、減圧下のみならず大気圧下においても、従来プロセスと同等の機能性を有する薄膜の形成に成功している。しかしながら、減圧下で形成された場合には、従来プロセスで形成されたものと同等の強度を持つ薄膜の形成に成功しているが、大気圧下で形成された薄膜の強度は、従来プロセスで形成されたものより劣るのが現状である。但し、減圧下で行われるSPPSでは真空装置等の設備が従来プロセスのものより大型となり、設備コスト、維持コストが高いため、大気圧下で施工可能なSPPSの実用化が望まれている。
本研究では、上流部と下流部に設置した2台のプラズマトーチにより構成された複合トーチを有する大気SPPS装置を開発し、上流部熱プラズマでは噴霧された出発原料のTiO2微粒子形成、下流部熱プラズマではTiO2微粒子の溶融および基板上への輸送を行うことにより、機能性、強度とも従来の機能性薄膜形成プロセス（CVD、PVD、噴霧熱分解法など）で形成されたものと同等のTiO2半導体薄膜の高速合成を可能とする。上流部、下流部の両トーチには、出発原料及び微粒子の均一な活性化及び溶融を図るため、自由噴流プラズマトーチ先端に旋回流形成ノズルを設置した旋回流プラズマトーチを使用する。旋回流形成ノズルは円筒状になっており、一定の入射角で旋回流形成ノズルに輸送された自由噴流プラズマは、当該円筒の内壁に沿って下流に輸送され旋回流プラズマジェットとなる。
2021年度までに、複合トーチによる高強度皮膜形成が可能であることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2020年度の研究では、上流及び下流の旋回流プラズマジェットが直列に合流するタンデム型複合トーチを試作し、当該装置によるTiO2薄膜形成を行った。（なお、上流及び下流のプラズマトーチ先端には、自由噴流プラズマ入射角が45°になるよう設計した旋回流ノズルを設置した。）その結果、上流部での微粒子合成には成功したが、下流部ではプラズマトーチから放出された旋回流プラズマジェットの半径方向の拡散に起因するプラズマ密度低下が著しく、微粒子溶融には至らなかった。
2021年度の研究では、上記問題を解決するため、下流部のプラズマトーチに自由噴流プラズマ入射角が15°になるよう設計した旋回流ノズルを設置したクロスフロー型複合トーチを試作し、薄膜形成実験を行った結果、下流部における微粒子加熱能力は大幅に改善し、従来プロセスと同等の強度を持つ高強度TiO2薄膜形成に成功した。但し、高強度薄膜が得られたのは高温基板上のため薄膜のアナターゼ比率は極めて低く、現在は皮膜形成後の冷却方法の改善によりアナターゼ比率の向上を図っている。
以上の結果から、おおむね順調に研究を進めることができている。

Strategy for Future Research Activity

最終目的が、アナターゼ比率の高い高強度TiO2薄膜の形成であることから、今後はアナターゼ比率の向上に向けた取り組みを行う。
高強度薄膜形成過程としては、以下のa)もしくはb)が考えられ、現在までの結果から、本研究では過程b)による高強度皮膜の形成に成功しているものと考えられる。
a)①上流での微粒子合成→②下流での微粒子溶融→③基板上での溶融微粒子の堆積・凝固
b)①上流での微粒子合成→②下流での微粒子加熱→③基板上での微粒子溶融もしくは焼結
従って、今後は、下流プラズマから微粒子への入熱量向上による過程a)での低温基板上への高強度アナターゼ薄膜形成の実現、過程b)での薄膜形成後の急速冷却による薄膜のアナターゼ比率向上の両面から研究を推進し、目的の達成を図る。

Causes of Carryover

旅費として申請した350,000円は、2021年12月にオーストラリア　メルボルンにて開催予定であったCAMS2021の出席に充てる予定でしたが、2021年9月にCovid-19のため2021年2月に延期する旨通知があり、更に2022年1月に2022年6月に再延期する旨通知があったため、年度内に旅費として使用することができなくなりました。
その結果、次年度に経費を繰り越すことにより、本来の経費（85万円）では購入不可能であった2色温度計（例えばチノー IR-CZQ0T(350~2000℃)）の購入が可能となりましたため、科学研究費で購入予定であった消耗品も別の予算を使用し、次年度に経費を繰越した次第です。