原料間歇導入+変調熱プラズマによるSiナノ粒子大量生成時における原料供給期間の影響の数値解析

摘要

ナノ粒子は，粒子の直径が100 nm以下の超微粒子を指す.通常のバルク材料と比較して，ナノ粒子は比表面積が著しく大きいことから，物理的•化学的に特異な性質を示す.さらに粒子表面での化学反応が促進される特徴を持つ.そのため，ナノ粒子はさまざまな分野への応用が期待されている.例えば，シリコンナノ粒子は，その特性から，大容量リチウム電池の負極材として期待されている.ナノ粒子の生成法として熱プラズマを用いる方法がある.熱プラズマは，ガス温度が数万Kと非常に高く，かつプラズマ全体で熱容量が大きいことから，被加熱物を素早く加熱できるという特徴がある.そのため，高温処理や高温化学反応を活用し短時間での処理が可能である.熱プラズマの中でも，誘導熱プラズマ(ITP:Induction Thermal Plasma)は，プラズマトーチ内において電磁誘導によりプラズマを発生させるため，熱プラズマ空間を無電極状態で実現できる.そのため，電極物質の混入による汚染が無いクリーンな反応場を形成できる.これらの利点から，以下のような手順によりナノ粒子を高純度で生成することが可能である.(1)原料物質をITP内の高温度場へ投入し，原料を熱分解•蒸気化させる.(2)この蒸発蒸気が温度の低い下流部に輸送され，過飽和状態へと達すると，ナノ粒子の核が生成される.(3)生成された核付近の蒸気によって不均一凝縮が起こり，粒子径が増加する.(4)粒径成長を100 nm以下に抑制することで，ナノ粒子を得る.以上のプロセスにおいて，ナノ粒子の大量生成のためには，大量の原料を熱プラズマ内へ投入•蒸発させ，さらにこの高密度原料蒸気を急冷することで，核を大量に生成させつつ，粒径100 nm以上への粒子成長を抑制する必要がある.このナノ粒子の大量生成プロセス開発のため，我々はパルス変調型誘導熱プラズマ(PMITP)および原料同期間歇供給(TCFF)法を開発している.このPMITPでは，誘導熟プラズマを維持する高周波コイル電流を振幅変調することで，熱プラズマの温度•流速場の時空間制御が可能である.PMITP+TCFF法では，熱プラズマへ大電力が入力されている際に，大量の原料を投入することで，高密度の原料蒸気を生成する.一方，熱プラズマへの入力電力が低いとき，原料供給を停止し，原料の未蒸発を防ぐ.さらに，入力電力を低くすることで，熱プラズマのガス温度が低下させることができ，原料蒸気の急冷を行うことができる.蒸気の急冷によって大量のナノ粒子核を生成することで，蒸気密度を減少させ，粒子成長を抑制することが可能である.