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論文題目「高周波熱プラズマを用いた炭素被覆アモルファスシリコンナノ粒子の合成」

林田梨里子

緒言
シリコンは電気エネルギー貯蔵に優れていることからLiイオン電池の負極材料として期待されている．しかし充放電サイクル時の体積変化による崩壊，表面酸化による導電性の低下が実用化に向けた課題となっている．これらの改善策としてSiのアモルファス化，ナノ粒子化および炭素被覆が提案されているが，大量かつ単一工程で行う方法は確立されていない．
そこで急冷速度が大きく，ナノ粒子の合成および炭素被覆を単一工程で行うことが可能な高周波熱プラズマに着目した．高周波熱プラズマ中で結晶性Siを蒸発させ，瞬時に急冷させることでアモルファス化およびナノ粒子化する．Si核生成・凝集後，炭素源を気体成分として導入することで炭素被覆を行う．
本研究では高周波熱プラズマを用いて炭素被覆アモルファスSiナノ粒子を合成し，生成機構を解明することを目的とした．

実験方法
実験装置は大別してプラズマトーチ，チャンバー，フィルターで構成される．原料粉体はキャリアガスによってプラズマ中に供給され，瞬時に蒸発した後，プラズマ尾炎部にて急冷される．この急冷プロセスにおいて原料蒸気は過飽和状態に達し，均一核生成，不均一凝縮を経てナノ粒子が生成する．生成したナノ粒子はガスによって運ばれ，フィルターに堆積する．
周波数4MHz，投入電力10-20 kWとし，大気圧下で高周波熱プラズマを発生させた．原料として粒径5 μmの結晶性Siを用い，400 mg/minで供給した．急冷効果を高めるために，プラズマに対向するようにArガスを20 L/minで流した．C/Siが1.0となるように，炭素源であるCH4を0.32 L/minで供給した．CH4供給位置は，トーチからの距離が短い順にHigh，Middle，Lowの3段階に変化させた．
合成したナノ粒子は，粉末X線回折(XRD)を用いて結晶構造を同定し，透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて粒子形態と粒径分布を評価した．また，ラマン分光分析により表面組成および構造の同定を行い，STEM-EDSにより元素マッピングを行った．生成したSiナノ粒子のアモルファス化度は，ZnOを標準物質として使用したXRDによる内部標準法で算出した．

実験結果と考察
CH4供給位置を変化させたときのXRDチャートにおいて，CH4供給位置をトーチに近づけ，投入電力を大きくすると，副生成物であるSiCが生成することが示されている．これはCH4ガスが高温部に導入され，気相のSiと反応したためである．アモルファス化度は47-58%だった．
生成したSiナノ粒子への炭素被覆の有無を確認するため，TEM-EDSによる分析を行った．CH4供給位置がMiddle位置，投入電力を17.5 kW条件で合成したSiナノ粒子の元素マッピング画像では，Si球状粒子の周囲にCが存在しており，他の合成条件でも同様の結果が得られた．また，生成物のラマン分光分析を行ったところ，Siと炭化水素の結合，炭化水素，D-bandおよびG-band由来のピークを示した．この結果は，Si粒子表面への導電性を有するDLC膜の形成を示す．

結言
本研究では高周波熱プラズマを用いて炭素被覆アモルファスSiナノ粒子を合成し，生成機構を解明することを目的とした．適切なCH4供給位置，投入電力を選択し，CH4ガスが導入される場の温度を制御することによって，炭素被覆アモルファスSiナノ粒子の合成に成功した．以上より，高周波熱プラズマによる炭素被覆アモルファスSiナノ粒子の効率的生産の可能性を見出すことができた．

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