Precise structure control of nano-composite films in low-temperature plasma reaction field with fast flow

快流低温等离子体反应场纳米复合薄膜的精确结构控制

基本信息

批准号：
21H01076
负责人：
内田儀一郎
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Meijo University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

低温プラズマ反応性流れ場に関して、ガス流速を実験パラメータとし、ナノ粒子生成・配列現象を系統的に解析する。実験では比較的ガス圧力の高いサブTorrレンジでのプラズマスパッタリングプロセスにおいて、材料原子の供給源となるスパッタ電極の後方から成膜基板方向に放電ガスを供給し、プラズマ反応空間にガス流れを形成する。昨年度はプラズマ源(スパッタ源)を基板に向けて2つ設置し、2つのプラズマ反応流れ場をもつ実験系を構築した。放電Arガス圧力を0.3 Torrに固定し、各スパッタ源からのガス流量を25-250 sccmと高範囲に変化させて実験を行った。スパッタターゲット材料にはGe半導体とSn金属を用いた。低ガス流速から高ガス流速への変化に伴い、Ge/Ar発光強度比が大きく減少し、プラズマ密度や電子温度などのプラズマパラメータの変化が示唆された。下流で作製された薄膜に関して、低ガス流速のプラズマ反応場では、GeSnナノ粒子が凝集したナノ構造膜が形成された。一方、高ガス流速のプラズマ反応場では、直径100ミクロン程度のナノピラーが規則的に配列した特異的なナノ構造膜となった。また結晶性に関して、高ガス流速の条件でSn金属の結晶化が観測され、ナノピラーの一部がSn結晶であることが明らかになった。このようにプラズマ反応流れ場のガス流速で、ナノ構造体の形状と結晶性を多様に制御できることを新たに見出した。さらに応用展開として、高ガス流速プラズマ反応場で作製したGeSnナノピラー構造膜を負極とするLiイオン電池を試作し容量を評価した。その結果、50回の充放電サイクル後で約700 mAh/gの高容量となり、従来のカーボン負極電池の約2倍の値を得た。

关于低温等离子体反应流场，实验参数用于系统地分析纳米颗粒的形成和布置现象。在实验中，在相对较高气压的亚torr范围内的血浆溅射过程中，从溅射电极后面提供排放气体，该溅射电极充当材料原子的来源，朝着膜形成的底物，形成血浆反应空间中的气流。去年，面向底物的两个等离子源（溅射源）安装，并使用两个血浆反应流场构建了实验系统。放电的AR气压固定为0.3 TORR，每个溅射源的气流速更改为25-250 SCCM的高范围。 GE半导体和SN金属用作溅射目标材料。随着从低气流流速到高气流速的变化，GE/AR发射强度比显着降低，表明血浆参数（例如等离子体密度和电子温度）的变化。对于下游薄膜，在低气流血浆反应场中形成了带有凝聚性GESN纳米颗粒的纳米结构膜。另一方面，在具有高气流速度的血浆反应场中，形成了特定的纳米结构膜，并定期排列纳米骨，直径约为100微米。此外，关于结晶度，在高气流速度的条件下观察到了SN金属的结晶，这表明纳米骨的一部分是SN晶体。因此，新发现的是，可以在等离子体反应流场中的气流流量以多种方式控制纳米结构的形状和结晶度。此外，作为应用程序的开发，产生了一个负气流等离子反应场在高气流速等离子体反应场中制造的锂离子电池，作为负电极，并评估了容量。结果，在50个电荷/放电周期后，容量在约700 mAh/g时高，导致值约为常规碳负电极电池的两倍。

项目成果

期刊论文数量（23）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

High-capacity Li ion battery with nanostructured Ge and GeSn anode fabricated in the low temperature plasma process

采用低温等离子体工艺制造的纳米结构 Ge 和 GeSn 阳极的高容量锂离子电池

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
関山明;野末悟郎;藤原秀紀;田村隆治;G. Uchida
通讯作者：
G. Uchida

プラズマ生成ナノ粒子を用いた2次電池応用

使用等离子体产生的纳米颗粒的二次电池应用

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
内田儀一郎
通讯作者：
内田儀一郎

Fabrication of Si nanowire by using sub-Torr He plasma sputtering process

采用亚托氦等离子体溅射工艺制备硅纳米线

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
G. Uchida;K. Masumoto;M. Sakakibara;R. Hanai;T. Yamada;M. Kiga
通讯作者：
M. Kiga

Next-generation Li-ion battery achieved by the low temperature plasma process

采用低温等离子体工艺实现的下一代锂离子电池

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Shih‐Nan Hsiao;Nikolay Britun;Thi-Thuy-Nga Nguyen;Takayoshi Tsutsumi;Kenji Ishikawa;Makoto Sekine;Masaru Hori;G. Uchida
通讯作者：
G. Uchida

Ge/C nanocomposite anode fabricated in co-sputtering plasma process for high capacity Li ion battery

共溅射等离子工艺制备的Ge/C纳米复合负极用于高容量锂离子电池