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 はじめに

■高校生の皆さんへ
 「プラズマ」という言葉を最近、テレビや新聞などで目にしたことはありませんか。皆さんがよく知っているプラズマテレビは、ディスプレイ画面を構成する画素ごとに非常に小さなプラズマを発生させ、プラズマから放射される紫外線を蛍光体に当てて、赤・青・緑の光の三原色を作っています。その他にも、色々なところでプラズマは用いられているのです。また、私たちの身の回りの自然界でもプラズマは至るところに存在しています。例えば、雷、地球の周りの電離層、太陽などが自然界に存在するプラズマのよい例です。実は、宇宙の99.9%の物質はプラズマであるといわれているのです。

■プラズマって何?
 それではプラズマはどのようなものかを説明しましょう。
 プラズマはしばしば「物質の第四の状態」と呼ばれ、固体→液体→気体の次の状態と位置づけられています。ここでは、物質の状態の変化を「水」を例にとって説明しましょう。
水は0℃以下では固体の氷ですが、温めると液体の水になり、さらに熱を加えると100℃では水蒸気、すなわち気体の状態に変化します。さらに熱を加えるとどのようになるでしょうか。下図は水分子がばらばらに分かれ、さらに水分子を構成している酸素原子や水素原子の最外殻の電子が解き放たれ、いわゆる電離した状態に変化する様子を示したものです。このように、気体を電離するために必要とされる電気的なエネルギーや光のエネルギーを加えると、イオンや電子などが入り混じったプラズマ状態を作り出すことができます。


■プラズマの応用技術
 プラズマを生成する際に用いる気体の種類を変えることによって、プラズマをいろいろなツールとして用いることができます。例えば、以下のようにプラズマにはいろいろな性質があり、それらの性質を利用することによって、様々な産業分野への応用が行われています。

・ 光を発する >> ランプやレーザなどの光源への利用
・ エネルギーを発生 >> 核融合への利用
・ 膜を作る >> ダイヤモンド薄膜や太陽電池などへの利用
・ 表面を削る >> 半導体微細加工(エッチング)への応用
・ 表面の性質を変える >> 親水性、撥水性、気密性などの表面機能化への応用
・ ジェット推進 >> ロケットエンジンへの応用
・ 菌を不活性化する >> 医療滅菌への応用
など。
 例えば、上記のうちで「表面を削る」性質を利用した例を紹介しましょう。皆さんが使っている携帯電話やパソコンなどに使用されているULSIでは、線幅が数10 nm(ナノメートル、1 nmは1mの10億分の1)、深さが数μm(ミクロン、1 μmは1mの100万分の1)の細い溝をシリコン基板に削るためにプラズマが用いられています。ここで、このような超微細な溝をきることがどれほどすごいかを、実際のシリコンウエハの大きさを東京ドームの大きさに置き換えて説明しましょう。シリコンウエハの直径を例えば20cmとしますと、線幅50nmの溝を切るということは、東京ドーム(大きさ120mとしましょう)のグランドに、髪の毛よりも細い直径30μmの幅で溝を切ることと等価です。このような超微細加工をプラズマで実現しているのです。
 もうひとつの例として、プラズマを使って材料を作る研究について紹介しましょう。
 プラズマをメタンガスやアセチレンガスのような炭化水素系のガスを用いると、下図に示したような基板上にダイヤモンドの膜やカーボンナノチューブを合成することができます。このとき、シリコン基板を750℃から850度に加熱し、ガスの圧力を約10kPa(Pa: パスカル)程度にしています。

ダイヤモンド薄膜

カーボンナノチューブ
 この他、最近、プラズマを用いた様々な応用に関する研究を進めています。例えば、私たちの研究プロジェクトではプラズマを用いた医療器具の低温滅菌に関する研究や、高分子材料表面に新たな機能を付加するプラズマ修飾などの研究も行っています。

 静岡大学浜松キャンパスでは毎年6月に行われるオープンキャンパスや、11月の始めに行われる静岡大学テクノフェスタ・イン・浜松で研究室の公開を行っています。プラズマに興味をもった高校生の皆さんは、是非、一度大学に友達を誘って一緒に見学に来てください。私たちはそんな皆さんを大いに歓迎します。
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