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論文題目「高周波熱プラズマによる炭素被覆アモルファスシリコンナノ粒子の合成」
山野建太郎
緒言
Siは軽量かつ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注目されている．結晶Siは充放電サイクルで体積変化を起こし負極の崩壊につながるが，アモルファス化により長寿命化が期待される．さらに，粒子表面への炭素被覆を施すことにより，構造安定性，電気的特性の優れた電池材料として用いることができる．しかし，Siのアモルファス化と炭素被覆を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，ナノ粒子への被覆を単一工程で行うことができる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，ナノ粒子をアモルファス化できることが既往の研究で明らかにされている．また，冷却時に炭素源を気体成分として導入することで，炭素膜を持つSiナノ粒子が得られる
[1]． 本研究の目的は，高周波熱プラズマを用いて炭素被覆アモルファスSiナノ粒子を合成することである．
実験装置及び内容，分析方法
実験装置はプラズマトーチ，チャンバー，フィルターで構成される．トーチ外部の誘電コイルに高周波電力を印加することでプラズマを発生させる．原料粉体はキャリアガス(Ar)によりプラズマ中に供給することで瞬時に蒸発し，プラズマ尾炎部にて急冷される．この急冷プロセスで，原料蒸気は過飽和状態に達し，均一核生成，不均一凝縮および凝集を経てSiナノ粒子が生成する．本研究では，アモルファスSiを合成するために，プラズマ流に対向流として急冷ガス(Ar)を流した。また，粒子表面への炭素被覆源となるガスとしてCH4ガスをプラズマ下流部に導入した．生成したナノ粒子はフィルターに堆積し，これを回収，分析した．
周波数を4MHz, 投入電力を10 kW, 雰囲気圧力を大気圧として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，0.4 g/minで供給した．Ar急冷ガス流量を20
L/min，C/Siモル比が0.1，0.2，0.3，0.8となるようCH4流量を変化させて実験を行った．
合成したナノ粒子を粉末X線回折(XRD)により，結晶構造を同定し，透過型電子顕微鏡(TEM)により形態観察を行った．また，CとSiとの結合を確認するためにラマン分光分析による表面組成，構造の同定を行った．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，分析結果と考察
Fig. 2にC/Si比を変化させたときの，生成したナノ粒子のXRDチャートにおいて，C/Si比が0.3以下の条件では Siのピークのみが確認されている．アモルファス化度を評価したところ，約56%という結果が得られた．なお，C/Si比が0.8の条件では，副生成物であるSiCが生成していることがわかった．これは，高C/Si比すなわち大CH4流量条件では，CH4ガスが高温部に導入され，気相のSiと反応したためだと考えられる．
生成したSiナノ粒子の炭素被覆を確認するため，TEM-EDSによる分析を行った．Siの球状粒子の周囲にCが存在していることが確認できる．また，C/Siが0.1，0.2，0.3の条件で生成した粒子表面に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由来のピークが確認された．これらの分析から，Si粒子表面に炭化水素膜が形成されていることがわかった．
結言
高周波熱プラズマを用いた炭素被覆Siナノ粒子の合成を目的とした．プラズマガス中に適切なC/Si比でCH4を導入することで，炭素被覆Siナノ粒子の合成に成功した．またEDS，ラマン分光分析により，被覆炭素膜がCH4の熱分解由来のCHXラジカルの堆積により生成することが分かった．以上より，熱プラズマによる炭素被覆Siナノ粒子の大量合成の可能性が見出された．
業績は修士論文をご覧ください。
