レーザアブレーションプルームのプラズマ制御および微粒子の生成に関する研究

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プラズマ制御したレーザアブレーション法により炭素微粒子・薄膜を堆積するとともに、アブレーションプルーム(放出原子・分子群)をレーザ吸収分光法により解析した。また微粒子プラズマを実験・シミュレーションの両面より解析し、プラズマ制御レーザアブレーションによる微粒子・薄膜プロセスを検討した。研究結果を以下に要約する。1. 本手法により0.13 Pa Arという低ガス圧雰囲気でもアモルファスカーボン微粒子(nmサイズ)が生成されることをAFM観察・XPS分析で確かめた。また、(1)ガス圧に伴い、微粒子サイズは単調増加する、(2)高い圧力(〜13Pa Ar)では微粒子同士の凝集により微粒子はさらに大きく成長する(〜100nm)、(3)微粒子サイズはプラズマ電力によっても制御される、ことが明らかになった。2. レーザ吸収分光法により、励起した炭素およびアルゴン原子密度を時空間測定した。どちらの原子ともプルーム中心部において最大密度をとること、また雰囲気圧力の増加に伴い励起炭素原子密度が減少する傾向が得られた。3. 酸素プラズマ中において炭素薄膜を堆積した。基板温度が450℃付近のとき酸素プラズマの効果が最も強く現われ、ダイヤモンド成分を多く含むアモルファスカーボン膜が堆積されたことがXPS分析より明らかになった。4. クーロン結晶の解析を行った。クーロン結晶中にパルスレーザを照射し、光圧力による微粒子の挙動を観察した。クーロン結晶が破壊されるレーザエネルギー閾値を測定した。また、2次元流体モデルで解析したアルゴンプラズマ空間構造を用いて、微粒子がどのようにクーロン結晶を作るかをシミュレートした。微粒子は重力に比べイオンドラグ力および静電気力の影響を強く受け浮遊する、数%の微粒子質量の分散により微粒子が重力方向にまたほぼ等間隔に並ぶこと、が分かった。