パルス変調ICPと固体の化学的相互作用を活用したセラミックス材料の高機能化

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研究代表者らが新しく開発したパルス変調高周波熱プラズマ〔PM-ICP〕は、従来にない特異な反応場を提供する。PM-ICPの重要な特徴として、通常高温熱源として利用される熱プラズマの化学的側面が顕在化されることが見いだされた。すなわち、水素ラジカルのように高化学活性な化学種を高濃度に発生するプラズマ源として働く。このプラズマ源を材料プロセスに応用する第一歩として、酸化亜鉛セラミックスへのプラズマ処理を行い、プラズマ特性と酸化亜鉛の発光特性の関係を調べ、高効率紫外発光デバイスへの応用に資することをめざした。14年度の研究で、酸化亜鉛中への数十ppmの水素溶解が高効率紫外発光と関係することを見いだした。本年度は、水素ドーピング機構の解明をめざした。そのために、格子欠陥の種類が異なる数種の試料を準備して、水素プラズマ照射処理を行い、発光との関連をしらべた。その結果、水素が酸化亜鉛中に溶解するときには電子を放出すること、さらに、酸化亜鉛中に電子を受け取れる格子欠陥があるときのみ、格子中に水素が溶解し格子欠陥が補償されてバンド端発光である波長約380nmの紫外発光が発現することがわかった。さらに、プラズマの化学組成を変化させて、プラズマから酸化亜鉛試料への熱伝導を制御することにより、緩やかな試料加熱が水素のドーピングにちょうどいいエネルギーを与え、試料の温度上昇による水素脱離を抑制して水素溶解が最適化されることも見いだした。