マイクログロープラズマの開発とシリコンナノ粒子の合成

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量子物性を持ったシリコンナノ粒子は,生体・医療からエネルギーまで幅広い応用が期待されている新材料である。本研究では,容量約1μlのマイクロ空間で形成される非熱平衡プラズマを用い,SiCl_4から粒径3-20nmのシリコンナノ粒子を連続合成するプロセスを開発する。本来,反応性プラズマは,酸化,還元,不活性など様々な環境で材料プロセスを構築できる特徴を有している。これをマイクロ空間で形成し,物理的・化学的に高度に非平衡化された反応場を作り出すことによって,新規材料合成プロセスとして大きな波及効果を生み出すことが可能となる。微粒子合成において最も重要なパラメータの一つである滞留時間を変化させることで,合成された物質の性状を調べた。アルゴン流量を200,500,1000cm^3min^<-1>と変化させ,生成物の緒言を調べた。アルゴン流量が200cm^3min^<-1>の場合,生成物には多量の塩素と窒素が含まれており,また電子顕微鏡でも肥大化した様々な粒径の粒状物質が観察された。滞留時間は約30μsであるにも関らず,反応活性なマイクロプラズマ中で粒子成長が著しく進行しており,不純物を取り込みながら粒子が成長していることがわかる。アルゴン流速が500,1000cm^3min^<-1>の場合,生成物の主な構成元素はSiで,一部酸化シリコンに起因したOも検出されるがNおよびClはほとんど検出されていない。この条件で合成された物質をTEMで観察した結果,単分散ではないものの,直径3-20nmの微結晶シリコンの存在を確認できた。それぞれの粒子は明瞭な輪郭を示しており,これらの微粒子が基板上ではなく,気相で生成されていることを示している。粒子の直径が10nm以上に成長すると,結晶面に依存した特長的な形状を呈するようになる。粒子径が六角形にみえるのはSi(111)面に囲まれた正八面体を投影して観察しているためである。(111)面は表面エネルギーが最も小さく熱力学的に最も生成されやすい。