カーボンナノウォールの初期成長過程の解析および解明
目的
プラズマ中の活性粒子がどのようにカーボンナノウォール成長へ寄与しているかを調査すること
背景
新規二次元炭素ナノ構造体であるカーボンナノウォールは、多層グラフェンシートが基板に垂直に立った迷路状の構造をしており、ナノ電子デバイス・フィールドエミッションデバイス・燃料電池の電極等、幅広い分野での応用が期待されています。
しかしながら現状では、プラズマCVD法で作製されるカーボンナノウォールの成長メカニズムが解明されていないため、それぞれの応用に適した形状・特性になるように成長制御することは困難であると考えられます。
プラズマ中の粒子の挙動は非常に複雑であるため、本研究ではイオンとラジカルを独立生成・独立制御できる新規装置を開発し、それを用いて各活性粒子がどのようにカーボンナノウォール成長に寄与しているかを調査しています。
実験方法および評価手法
アルゴン(Ar)ガスをイオン源に導入しArイオンが、またC2F6イオンおよび水素(H2)ガスを2つのラジカル源に導入しCFXラジカルおよびHラジカルが生成されます。各々のイオン源・ラジカル源は13.56MHzの誘導結合型プラズマ(ICP)で構成されています。
生成されたイオン・ラジカルは加熱されたステージ上に置かれたシリコン(Si)基板に照射され、カーボンナノウォールが成長します。
これまでの結果として、カーボンナノウォール生成場でのイオンやラジカルの密度・エネルギーを、四重極質量分析器(QMS)、プローブ測定法、真空紫外吸収分光法(VUVAS)により測定することに成功しました。
また本装置は分光エリプソメーターを有しており、成長中のカーボンナノウォールの高さや光学的情報をリアルタイムで観察できるほか、超高真空の原子間力 顕微鏡(AFM)および走査型トンネル顕微鏡(STM)と真空チャンバ内で連結されているので、大気やゴミの影響なくカーボンナノウォールのナノ構造を観 察することができます。
作製したカーボンナノウォールは、走査型電子顕微鏡(SEM)、X線光電子分光法(XPS)、ラマン分光法により解析しています。
以上のように、プラズマ中の活性種の反応過程と、カーボンナノウォールが成長する化学反応との両方の視点で、メカニズム解明を試みています。
実験結果の一例
下図のグラフは、カーボンナノウォール成長中の分光エリプソメトリー信号（=ψ(deg) @632nm）の時間変化を示しています。
4本のラインは、Arイオンの加速電圧が0V、100V、200V、300Vの時を示しており、ψが大きいほど堆積高さが高いことを意味します。
このグラフより、①照射後数分間は堆積しないこと、②堆積速度は加速電圧に依存していること、などが明らかになりました。
この結果のように「その場観察」や「実時間観察」はプラズマ計測・膜質解析において非常に有効な手法だといえます。
本研究ではほかにも、水素ラジカル密度がカーボンナノウォール膜質に与える影響や、水素ラジカル/フルオロカーボンラジカル密度比最適化などにおいて、興味深い結果を得ています。
