窒素内包フラーレン多量合成対応プラズマプロセス法の開発

フラーレン（fullerene）は1985年に発見された炭素原子60 個からなるサッカーボール状の分子である．このフラーレンは内部に直径約0.4 nmの真空空間を持ち，そこに原子を内包させることによって，様々な性質を示すことが明らかにされてきた．

その中でも，自由空間では安定に存在することのない窒素単原子(Ｎ)を内側空間に内包する，窒素原子内包フラーレン(Ｎ＠Ｃ₆₀)は，スピンが長寿命であり，共鳴点が鋭いピークを持つため量子コンピュータへの応用が期待されている．しかし，これまで行われてきた生成法はいずれも，収率が極めて低く，研究が進展しない状況にある．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

図１: 窒素原子内包フラーレン

本研究室では，いくつかの手段を用いてＮ＠Ｃ₆₀合成について研究を行っているが，ここでは，容易に生成，パラメータ制御が可能な，簡易装置による高周波（ＲＦ）プラズマを用い，窒素原子内包フラーレンの高効率生成かつ，その内包メカニズムの解明を目指す研究を行っている．

図2にフラーレンへの窒素内包のイメージ図，図3に実験装置概略図を示す．装置上部のRFアンテナに高周波電力を供給することにより，プラズマを生成する．装置下部のオーブンからＣ₆₀を昇華させ，その周囲に設置した円筒型ステンレス基板に堆積させる．堆積していくＣ₆₀に窒素イオンもしくはラジカルが連続的に照射される．窒素ガス圧P_N2，供給RF電力P_RF等を変化させることで，照射されるプラズマの制御を行う．

　　　　　　

図2: フラーレンへの窒素内包のイメージ図．基板に堆積していくＣ₆₀に窒素プラズマが連続的に照射される．

　　　　　　　　

図4: 窒素ガス圧P_N2，供給RF電力P_RFを変化させた時の空間電位f_s，電子密度n_e．

　　　

図3: 実験装置概略図

　本装置では現在，世界最高の合成純度(Ｃ₆₀に対するＮ＠Ｃ₆₀の合成量，0.05 - 0.03 %)，合成効率(2 – 0.5 μg/hour)でＮ＠Ｃ₆₀を合成することに成功している．

---

　　　　　　　　　　　　　　　西垣昭平