利用報告書 / User's Reports


【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.04.23】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23NU0217

利用課題名 / Title

プラズマ照射試料の表面観察

利用した実施機関 / Support Institute

名古屋大学 / Nagoya Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

二次電池/ Secondary battery,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,スパッタリング/ Sputtering,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,環境発電/ Energy Harvesting


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

梶田 信

所属名 / Affiliation

東京大学大学院新領域創成科学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

張 容実,田端 希帆,螺澤 英樹,山本 雅紀,林 知紀,田中 宏彦

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NU-228：走査型電子顕微鏡
NU-203：薄膜X線回折装置
NU-207：X線光電子分光装置


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

核融合実機環境を模擬した実験として、ネオン(Ne)、窒素(N2)、アルゴン(Ar)など、さまざまな不純物ガスを添加したヘリウム(He)プラズマ照射により、タングステン上にナノテンドリルバンドル(NTB)を形成した。加えて、リチウム(Li)電池負極材に関する研究として、Heプラズマ照射により銅基板上にシリコン(Si)薄膜を堆積させ、その表面構造や物性、電池特性を評価した。

実験 / Experimental

名古屋大学大野研究室所有の直線プラズマ装置NAGDIS-IIを使用し、Ne, N2, Arを混合したHeプラズマ照射をタングステン板に行うことでNTBを形成した。その後、電子顕微鏡（NU-228）での表面観察等を行った。次に、名古屋大学大野研究室にて各試料の電界電子放出特性を調べ、表面構造との関係性を調査した。　名古屋大学大野研究室所有の小型プラズマ装置Co-NAGDISを使用し、Heプラズマ照射により銅基板上にSi薄膜を形成した。その後、電子顕微鏡（NU-228）での表面観察等を行うとともに、XRD（NU-203）およびXPS（NU-207）による表面分析を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

　NTBのサイズは不純物ガスによって異なる分布を示した。電界放出特性はNTBの形態、特にファイバー先端に強く依存し、Ne及びArを添加した場合、先端の鋭いNTBが形成され、電界放出の開始電界はすべてのNTB試料で約1kV mm-1であった。N2添加の場合、2種類のNTBが形成された。N2不純物ガスの比率が2.1%の場合、先端が尖ったNTBが形成された。不純物ガス比率が3.0%以上になると、NTBの繊維は太くなり、先端は丸くなった。Fowler-Nordheim(F-N)プロット解析では、先端が鋭利なNTBの電界増強係数はいずれも約6000-7000であり、有意差はなかった。先端が丸いNTBは電界放出特性が全く異なり、放出電流は数μAと他の試料の1/10であった。このことは、NTBの局所的な形態、特に先端部の幾何学的形状がNTBの電界発光特性を決定する主な要因であることを示唆している。　Li電池負極材としてSi薄膜は、これまでに一定の厚みと空隙率のときに良い電池特性が得られている。加えて、Si堆積時の試料温度が重要と考えられたため、複数の試料温度で作製された薄膜試料についてXRDおよびXPSでの表面分析を行った。その結果、電池特性の良い低温照射の際には、アモルファス構造のSi薄膜が形成されていることがわかった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

R. Zhang et al., Materials Research Express 10, 054002 (2023).


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Rongshi Zhang, Field emission properties of nano-tendril bundles formed via helium plasma exposure with various additional impurity gases, Materials Research Express, 10, 054002(2023).
    DOI: 10.1088/2053-1591/acd1d4
  2. Qi Xue, Thermal response of nano-tendril bundles to steady heat load, Japanese Journal of Applied Physics, 62, SN1005(2023).
    DOI: 10.35848/1347-4065/ace6ac
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. M. Yamamoto, et al., "Sputtering characteristics of helium-tungsten co-deposition layer", International Conference on Materials and Systems for Sustainability (ICMaSS) 2023 (Nagoya, Japan), 2023.12.1-3
  2. K. Tabata, et al., "Fabrication of porous silicon for lithium-ion battery anodes in helium plasma", International Conference on Materials and Systems for Sustainability (ICMaSS) 2023 (Nagoya, Japan), 2023.12.1-3
  3. S. Kajita, et al., "Effect of co-deposition on helium plasma irradiation to tungsten", Global Plasma Forum in AOMORI (Aomori, Japan), 2023.10.15-18
  4. R. Zhang, et al., "Growth of micro-pillars on tungsten by helium plasma exposure with impurity gases", Global Plasma Forum in AOMORI (Aomori, Japan), 2023.10.15-18
  5. M. Yamamoto, et al., "Formation of helium-tungsten co-deposition layers and spectroscopic measurements during sputtering", Global Plasma Forum in AOMORI (Aomori, Japan), 2023.10.15-18
  6. K. Tabata, et al., "Porous silicon produced with helium plasma for lithium-ion battery anode", Global Plasma Forum in AOMORI (Aomori, Japan), 2023.10.15-18
  7. R. Zhang, et al., "Field emission current from protrusion structures formed by helium plasma with various impurity gases", 30th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV2023) (Okinawa, Japan), 2023.6.25-30
  8. K. Hori, et al., "Condition for the growth origin of large-scale fiberform nanostructures", 19th International Conference on Plasma-Facing Materials and Components for Fusion Applications (PFMC-19) (Bonn, Germany), 2023.5.22-26
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

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