“自己組織化膜とプラズマの反応解析・制御による自己組織化膜への機能付与”

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1 “自己組織化膜とプラズマの反応解析・制御による自己組織化膜への機能付与”
科学研究費補助金 新学術領域研究 「コンピューティクスによる物質デザイン ：複合相関と非平衡ダイナミクス」 2013年7月8－9日 “自己組織化膜とプラズマの反応解析・制御による自己組織化膜への機能付与” 研究代表：篠原正典 長崎大学大学院工学研究科電気・情報科学部門

2 プラズマー表面相互作用 藤山教授，松田准教授 プラズマCVD, エッチング Plasma H Reactions in gas phase
プラズマ―表面相互作用 “プラズマが誘起する表面反応” 藤山教授，松田准教授 プラズマCVD, エッチング 反応の最前線 膜質

3 Hamers, et al., Nature Materials 1,253 (2002)
自己組織化膜 自己組織化膜 単分子膜，種類が多い 官能基，組成，構造が規定されている 表面に様々な官能基，膜自体でもデバイス 半導体－バイオ融合 半導体へのバイオ分子の固定 バイオ分子と半導体の継ぎ目 Hamers/ ウィスコンシン大学 ダイヤモンド上への固定 広島大学 ペプチド結合 Hamers, et al., Nature Materials 1,253 (2002)

4 自己組織化膜の修飾 表面修飾 別の官能基をつけることにより，新たな機能を付与できる。 化学的修飾 プラズマを用いた修飾 分子が長くなる
時間がかかる プラズマを用いた修飾 分子は短いまま 早い(高速処理) プラズマ： 様々な反応性の高い化学種(ラジカル，イオン) ソフトマテリアルは不向き

5 目的 自己組織化膜をプラズマによって表面修飾 モノマーが短いままで、NH2，OHなどの官能基の付与,切断 膜特性の改質・自由な分子設計
自己組織化膜：規定された状態 プラズマ：規定できない，ソフトは不向き プロセスの最適化 プラズマ生成、基板の状態 反応の制御 O H プラズマ処理

6 プラズマ―SAM相互作用の解明 プラズマ：水素、酸素、窒素など軽元素 水など を原料 基板：冷却してゆらぎを防ぐ
Plasma H プラズマ表面相互作用 “プラズマが誘起する表面反応” プラズマ：水素、酸素、窒素など軽元素 水など を原料 基板：冷却してゆらぎを防ぐ 官能基：生成されやすい、消滅しやすい 制御法：基板温度、基板バイアス、プラズマの条件 Si基板 SAM

7 実験方法 膜の化学結合状態の変化 赤外吸収分光
MIR-IRAS: Infrared Absorption　Spectroscopy in Multiple Internal Reflection Geometry 高分解能 測定環境を選ばない 大気, 液中, 真空，プラズマ中 In-situ, Real-time 検出感度が高い ガウシアンを用いた第一原理計算 反応性プラズマ IR Siプリズム

8 (with heater and RF bias )
MIR-IRASを備えた実験装置 RF power (800kHz) Matching network RF power (13.56MHz) Si prism ( substrate) RF plasma source Gas Plasma Sample holder (with heater and RF bias ) チャンバーの整備 マニュプレータ：冷却機能付き Concave Mirror 8

9 3-(2-aminoethylamino)propyldimethoxymethylsilane
予備実験：自己組織化膜 NH2-terminated SAM Si-O bonded to a Si substrate 3-(2-aminoethylamino)propyldimethoxymethylsilane H2NCH2CH2NH(CH2)3 Si OCH3 CH3 H H H H H H N N N N-H N-H N-H Si Si Si O O O O O O Si　Prism

10 実験装置 大気圧プラズマの曝露 1 cm 9000Vpp 10kHz FT-IR IR Detector Si Substrate
High Voltage Supply Electrode Dielectrics SAM プラズマ

11 Difference absorbance (arb. units)
大気圧空気プラズマのSAMへの曝露 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 Peak intensity (arb. units) 60 50 40 30 20 10 Time (min.) Y= Y -Y 1 *exp(-t/ t) 2 +Y 3 t =2.0 (NH) =15.4 =1.0 (CNH) 0.2 1800 1600 1400 1200 C-OH Difference absorbance (arb. units) C=O N-H 参照スペクトル: 曝露前のSAMのスペクトル NHの減少 OHの増加 Frequency (cm-1)

12 反応モデル 大気圧空気プラズマ C C C N N N H OH H H (H2O)n, OH* , O＊, O3 , hν 加水分解？
0.10 0.05 0.00 -0.05 -0.10 Peak intensity (arb. units) 60 50 40 30 20 10 Time (min.) ：NH2 ：COH 大気圧空気プラズマ (H2O)n, OH* , O＊, O3 , hν 加水分解？ C N H C N H C N H OH

13 電極－基板間距離 SAMの大気圧プラズマ曝露 60分 OH NH H2O in air Electrode Dielectrics
1~5 cm SAM Si Prism

14 今後の予定1 真空プロセス 規定された自己組織化膜と プラズマ中の化学種との反応
多重内部反射赤外分光法用いて、 自己組織化膜の化学結合状態の変化を 解析する

15 今後の予定2 膜の状態変化 その制御法 赤外吸収スペクトル 第一原理計算(ガウシアン)
プラズマ処理で消滅しやすい官能基、 生成されやすい官能基 その反応速度 その制御法

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