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論文

グラフェンの結晶成長の熱放射光によるその場顕微観察

寺澤 知潮; 平良 隆信*; 小幡 誠司*; 斉木 幸一朗*; 保田 諭; 朝岡 秀人

Vacuum and Surface Science, 62(10), p.629 - 634, 2019/10

sp$$^{2}$$炭素原子で構成される単原子厚さのシートであるグラフェンは、この10年間で最も魅力的な材料である。グラフェンの特性の多くは単層の場合に顕著である。化学気相成長法(CVD)は、大面積で単層グラフェンを選択的に製造するために広く使用される。ここでは、グラフェンのCVD成長のその場観察を実現するために開発した「熱放射光学顕微鏡」を紹介する。熱放射像においてグラフェンをCu基板上の明るいコントラストとして観察する方法を示し、続いてその場観察によって明らかにされた成長機構、すなわち核形成点や律速過程を紹介する。最後に、Au基板上でのグラフェンのCVD成長において前処理手順によるグラフェンの放射率が変調を受けたという研究を紹介する。熱放射光学顕微鏡は、グラフェンの成長を観察するだけでなく、グラフェンの熱放射特性を明らかにするための方法としても期待される。

論文

Effect of hydrogen on chemical vapor deposition growth of graphene on Au substrates

寺澤 知潮; 平良 隆信*; 保田 諭; 小幡 誠司*; 斉木 幸一朗*; 朝岡 秀人

Japanese Journal of Applied Physics, 58(SI), p.SIIB17_1 - SIIB17_6, 2019/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Applied)

CuやAuなどのC固溶度が低い基板上への化学気相成長(CVD)は、単層グラフェンを大面積に選択的に成長させることが期待されている。Cu上においてはグラフェンのドメインサイズを制御するためにH$$_{2}$$がしばしば添加されるが、一方、Arは酸化に対して不活性であるため、AuはH$$_{2}$$を必要としない。そこでAu上のグラフェンの質を改善するためには、H$$_{2}$$の効果が明らかにされるべきである。ここでは熱放射光学顕微鏡を用いて、Au基板上のグラフェンのCVD成長に及ぼすH$$_{2}$$の影響を報告する。その場観察およびラマン分光法は、H$$_{2}$$が供給されたか否かがAu上のグラフェンの成長速度、熱放射コントラスト、および圧縮歪みに強く影響することを明らかにした。これらの効果は、H$$_{2}$$供給に依存したAu(001)の表面再構成によるものと考えた。我々の結果は将来の応用のためにAu上で高品質のグラフェン成長を達成するために不可欠である。

論文

円管内の伝熱流動に及ぼす多孔性材料の影響

植村 拓也*; 武田 哲明; 一宮 浩一*

日本機械学会山梨講演会講演論文集(020-4), p.49 - 50, 2002/10

伝熱面を加工することなく流路内に繊維状の金属細線を挿入し、熱伝導率及び伝熱面積の拡大を利用した伝熱促進法において、熱伝導率の高い銅線を用いて空隙率が高い場合の熱伝達,圧力損失などの基本特性を調べる実験を行った。その結果、レイノルズ数1500から5000の範囲において平滑管の場合より20%以上の伝熱促進効果が得られた。流路壁温度が240$$^{circ}C$$以下の場合、ポンプ動力一定条件下では、熱伝達率が1.3から1.5倍増大した。

報告書

金属細線を挿入した多孔性流路の伝熱促進

武田 哲明

JAERI-Research 2000-056, 27 Pages, 2000/12

JAERI-Research-2000-056.pdf:1.86MB

本研究では、金属細線を挿入した高多孔性流路の伝熱及び圧力損失特性を調べることが目的である。ここでは、鉛直正方形流路と水平円管流路を用いて実験を行い、流路内に銅線を挿入した場合の熱伝達特性について調べた。実験の結果、流路内に銅線を挿入すると除熱量は増大し、除熱量増大の効果は加熱壁の温度上昇に伴い増大した。空隙率が0.993~0.998の範囲で銅線を挿入した正方形流路及び円管流路では、壁温度が170$$^{circ}C$$以下の一定熱流束条件下において、滑らかな伝熱面流路の場合に比べて約20%程度の伝熱促進効果があった。

報告書

Study on natural convection heat transfer in a vertical enclosure of double coaxial cylinder; Cooling by natural circulation of air

Zhang, Y.*; 武田 哲明; 稲葉 良知

JAERI-Tech 2000-065, 109 Pages, 2000/11

JAERI-Tech-2000-065.pdf:6.17MB

HTTRの圧力容器-冷却パネル空間の熱伝達特性を調べるため、一面が加熱された同心二重円筒容器内の熱放射を伴う自然対流に関する実験を行った。実験では二重円筒の環状流路幅を基準としたRayleigh数を5.6$$times$$10$$^{5}$$$$<$$Ra$$_{d}$$$$<$$1.04$$times$$10$$^{8}$$に設定した。熱放射を伴う自然対流熱伝達率をRa数、容器のアスペクト比、及び加熱・冷却面温度の関数として求めた。本試験装置のNu数はNu$$_{a}$$=$$frac{0.225・Ra_{d}^{0.25}(l/d)^{-0.25}}{1-5.442times10^{-3}(T_{0}^{4}-T_{1}^{4})^{0.191}}$$で近似することができた。また、熱流体解析コード(Fluent)を用いて数値解析を行った結果、装置各部の温度分布の解析結果は実験と一致し、熱移動現象を再現することかできた。

論文

光技術を利用した原子炉計装システム

角田 恒巳; 山岸 秀志; 田畑 広明*; 浦上 正雄*

第7回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集 (00-11), p.254 - 257, 2000/11

光ファイバなどをセンサ媒体とした、新しい原子炉運転監視システムとして、光計装システムの開発研究を行っている。本報は、その全体像と、キイコンポーネントの耐放射線性向上技術、実際に光ファイバセンサによる炉心内での計測試験について述べた。光ファイバの耐放射線強化では、コアにフッ素を拡散することで、E'センタ及びNBOHCを抑制し、原子炉炉心内で使用できるものが得られた。これをセンサとし、炉内の温度や炉出力の計測が可能であることを示した。

報告書

アスファルト固化処理施設火災爆発事故の中期的課題の対応,1; ドラムの熱解析

三浦 昭彦; 今本 信雄

JNC-TN8410 99-044, 189 Pages, 1999/10

JNC-TN8410-99-044.pdf:7.18MB

本報告はアスファルト固化処理施設における火災爆発事故の原因を究明するために実施された種々の解析結果についてまとめたものである。本報告における種々の解析は、放冷試験の結果を参考にして、事故直後(平成9年春から)から実施されたものであり、当時多くの物性値、化学反応系を特定できていなかったため詳細な検討には至らなかったが、本報告の後に実施されたドラム内混合物の解析の基礎となった。これらの解析では、伝熱の理論および安全性評価の理論(Semenovの理論、Frank-Kamenetskiiの理論)を基本としている。したがって、第1編において各解析に共通なこれらの理論についてまとめた。また、第2編において種々の計算結果についてまとめた。これらの計算は各々速報の形式でまとめられたため、作成順にこれを編集してある。また、おもな解析の方法は、まず放冷試験の結果を参考にして固化体モデルの条件を設定した。設定したモデルを使用し、固化体内の全域あるいは一部で発熱が生じた際にどのような温度分布をたどるかを計算した。安全性評価の理論はこれらの発熱・放熱のバランスから、どの程度の発熱が生じれば発熱が放熱を上回り、熱暴走に至るかを評価することができるため、本解析では各々のモデル・解析法における限界発熱量を見積もった。

論文

赤外線サーモグラフィによる材料表面欠陥の検出に関する研究

石井 敏満; 岡本 芳三*; 衛藤 基邦; 大岡 紀一; 星屋 泰二

第2回サーモグラフィによる非破壊評価技術シンポジウム講演論文集, p.85 - 91, 1998/00

赤外線サーモグラフィを用いて、材料や構造物の表面きずを遠隔かつ非接触で非破壊的に検出する手法が注目されている。この手法では、試験対象物とその周囲空間の温度に差を与えた場合に、空洞放射効果によりきず部に生じる放射温度上昇を検出してきずを識別する。しかしながら、放射温度や放射率等の熱放射に関連した特性値は材料等の表面状態に起因して変化するため予め評価することが重要となる。本研究では、表面粗さの異なる原子炉用黒鉛IG-110とPGXについて上述の特性値の評価を行い、特に、表面の粗い黒鉛ほど材料表面の放射温度のばらつきが大きくなり、このばらつきがきず識別に影響を及ぼすことが分かった。また、上記黒鉛試料に加工した各種寸法のきずの検出試験を行い、きずの直径が大きいほど、そして深い傷ほど、識別に必要となる試験片とその周囲空間との温度差を大きくする必要があることが分かった。

報告書

燃料体スタック実証試験部(T$$_{1}$$)多チャンネル試験結果,III; 高温試験結果

日野 竜太郎; 高瀬 和之; 丸山 創; 宮本 喜晟

JAERI-M 90-033, 37 Pages, 1990/03

JAERI-M-90-033.pdf:0.96MB

大型ヘリウムガスループ(HENDEL)の燃料体スタック実証試験部(T$$_{1}$$)では、12本の電気加熱方式の模擬燃料棒を挿荷した燃料体1カラムの実寸大模型「多チャンネル試験装置」を用いて、ヘリウムガスを1000$$^{circ}$$Cまで加熱する高温試験を行なった。本報は、模擬燃料体カラム内の発熱分布を均一にした場合と、傾斜状に変化させて実機燃料体カラム内の発熱分布を模擬した場合の高温試験結果についてまとめたものである。12本の模擬燃料棒の発熱量を均一にした試験では、ヘリウムガスはほぼ一様に配分されること、熱放射による伝熱量は燃料棒表面温度とともに増大して層流域では20%以上に達し、熱伝達率の平均的特性は従来の試験結果とよく一致した。また、傾斜出力試験では、3次元温度分布解析によりブロック水平断面内の温度差はかなり小さいことが分かった。

報告書

ASSCOPSコードによるナトリウム燃焼抑制槽の解析

宮原 信哉*; 松木 卓夫*; 広井 博*; 姫野 嘉昭*

PNC-TN9410 88-092, 82 Pages, 1988/08

PNC-TN9410-88-092.pdf:4.29MB

(目的)二次系ナトリウム漏洩事故の事象推移に関する総合模擬試験(Run-D2)に於けるナトリウム燃焼抑制槽の試験結果を用い、動燃で新たに開発したナトリウム燃焼抑制槽に対するナトリウム燃焼解析コードASSCOPSの適用性を検討した。(方法)解析では、槽内雰囲気の放射熱伝達に関してコード上の定義による熱放射係数をパラメータとし、以下の3ケースを実施した。(1)雰囲気は完全透明と仮定し、プール表面と構造材及び構造材間の熱放射係数は1.0 (2)雰囲気はエアロゾルによって不透明と仮定し、プール表面とエアロゾルの熱放射係数は0.65で、エアロゾルと構造材の熱放射係数は0.7 (3)雰囲気はエアロゾルによって不透明と仮定し、プール表面とエアロゾルの熱放射係数は0.65で、エアロゾルと構造材の熱放射係数は0.5 (結果)いずれのケースとも解析結果は試験結果と比較的良く再現しており、特に安全評価上重要となる槽内貯留ナトリウムの冷却特性に関しては良く一致した。各部温度の試験結果に対する解析結果の誤差は、過大評価側で約30%、過小評価側で約20%であった。(結論)ナトリウム燃焼解析コードASSCOPSは、動燃で新たに開発したナトリウム燃焼抑制槽の性能評価に対しても、十分適用できるとの結論を得た。

報告書

SSC-L:ループ型高速炉システムコード; モデル開発・改良と利用マニュアル

山口 彰*; 吉川 信治*; 長谷川 俊行*; 大島 宏之

PNC-TN9410 87-143, 357 Pages, 1987/10

PNC-TN9410-87-143.pdf:21.11MB

(目的)SSC-Lを、高速炉のあらゆる事故事象の解析や安全評価をきわめて高い解析精度で実施できる計算コードに改良し、そのために必要なモデルを開発する。(方法)SSC-Lの解析精度向上のために現象論的モデルを開発あるいは改良し、適用性を拡大するためにシステムや機器のモデル開発を数多く実施した。改良したSSC-Lを各種事故事象解析に適用し、コードの検証と機能のチェックを行う。(結果)コード全体にわたってコードの改良・モデル開発を実施した。原子炉容器では、上部及び下部フレナムでの多次元効果の考慮、反応度効果のモデル化、集合体間熱移行モデル開発等を実施した。熱輸送系では、配管壁からの熱放散モデル、崩壊熱除去系(IRACS、DRACS)モデル、中間熱交換器モデルの改良、配管破損モデルの改良等を行なった。そのほか、原子炉保護系の改良、計算結果の図形出力プログラム作成等も実施した。改良したSSC-Lにより多くの事故事象の解析を行い、精度が著しく向上したこと、あらゆる事故時のFBRシステム全体の解析に適用できることを確認した。(結論)SSC-Lに関する研究の第1段階であるコードの改良、モデル開発は終了し、原型炉や実証炉の安全評価に適用することが可能となった。

報告書

燃料体スタック実証試験部(T$$_{1}$$)多チャンネル試験結果,1; 中温模擬燃料棒を用いた均一出力分布試験

丸山 創; 高瀬 和之; 日野 竜太郎; 井沢 直樹; 菱田 誠; 田中 利幸; 下村 寛昭

JAERI-M 85-067, 29 Pages, 1985/06

JAERI-M-85-067.pdf:0.73MB

多目的高温ガス実験炉の燃料体1カラムを模擬した多チャンネル試験体を用い、12本の模擬燃料棒の発熱量を等しくした均一出力分布試験を行った。本試験に使用した模擬燃料棒は、軸方向の熱流束分布が均一な中温試験用模擬燃料棒である。本試験により次のことが明らかになった。(1)模擬燃料体内の冷却材流量は、各チャンネルに均等に配分されている。また黒鉛ブロック内部の温度もほぼ均一である。(2)模擬燃料体の熱伝達率は次式で整理され、平滑環状流路のように明確に遷移域を示す傾向は見られない。Nu=0.0125Re$$^{0}$$$$^{.}$$$$^{8}$$Pr$$^{0}$$$$^{.}$$$$^{4}$$ (3)レイノルズ数が2000以下の領域では、熱放射によって模擬燃料棒から黒鉛ブロックに伝えられる熱量は、伝熱量全体の約20%になる。

口頭

Au上グラフェンCVD成長の熱放射光学顕微鏡によるその場観察

寺澤 知潮; 平良 隆信*; 小幡 誠司*; 保田 諭; 斉木 幸一朗*; 朝岡 秀人

no journal, , 

化学気相成長法によって炭素固溶度の低いCu基板上では単層のグラフェンが選択的に成長することが知られている。本研究ではCuと同様に炭素固溶度の低いAu基板上で、グラフェンの化学気相成長の熱放射光学顕微鏡によるその場観察を試みた。熱放射光学顕微鏡像においてAu箔基板の溝に挟まれた領域から開始した明るいコントラストの成長は溝と平行方向に進行した。ラマンマッピング測定によってこのコントラストはグラフェンであることが確認された。当日はAu基板上でのグラフェンの成長機構についても議論する。

口頭

Radiation-mode optical microscopy for CVD growth of graphene on gold

寺澤 知潮; 平良 隆信*; 小幡 誠司*; 保田 諭; 斉木 幸一朗*; 朝岡 秀人

no journal, , 

銅における炭素固溶度が低いため、銅基板上では化学気相成長(CVD)法によって単層のグラフェンが選択的に成長される。よって、グラフェンのCVD成長は次世代のエレクトロニクスのためにもっとも有望な技術であると考えられている。本研究では、我々は低い炭素固溶度を持つ金上でのグラフェンのCVD成長を報告する。我々は熱放射光学顕微鏡を用いて金上でのグラフェン成長のその場観察を達成した。900$$^{circ}$$CにおいてAr, H$$_{2}$$, CH$$_{4}$$の流量を240, 8, 5sccmとして熱放射像を取得したところ、グラフェンに対応するとラマン分光法で決定された明るい島が金箔の2つの溝の間に成長することが確認された。熱放射光学顕微鏡によるその場観察に基づいて、我々は金上でのグラフェン成長の機構について議論する。

口頭

低放射率金属基板上におけるグラフェン成長の熱放射によるその場観察

寺澤 知潮; 小幡 誠司*; 保田 諭; 斉木 幸一朗*; 朝岡 秀人

no journal, , 

単層の炭素六員環シートであるグラフェンは、高い電子移動度や光透過性などの特性から次世代半導体材料として注目されている。Cu基板上における化学気相成長(CVD)法ではCuの炭素の固溶度が低いために単層のグラフェンを選択的に作製できる。我々は低放射率($$sim$$0.1程度)のCu基板上でグラフェン(放射率0.023)が成長する様子を熱放射光の顕微観察により可視化する熱放射光学顕微鏡を開発した。本手法によって104Pa程度の全圧下でのグラフェン成長機構を議論できる。AuはCuと同様に炭素固溶度が低いが、Au基板上でのグラフェンCVD成長は報告例が少なく、その成長機構は明らかでない。本研究では熱放射光学顕微鏡によって放射率が低いAu基板上でのグラフェンCVD成長をその場観察することで、グラフェン成長機構の解明を目指す。【結果】 表面を清浄化したAu箔を900$$^{circ}$$Cで加熱し、Ar, H$$_{2}$$, CH$$_{4}$$の混合ガスを供給した際の熱放射光の顕微像をFigure (a)に示す。暗いAu基板上に明るい領域が観察された。同一箇所におけるグラフェンに特有のRaman 2Dバンドの強度をFigure (b)に示す。Figure (a)と(b)の形状から、Au基板上の明るい領域はグラフェンであると言える。以上から、熱放射光学顕微鏡によってAu基板上でのグラフェン成長をその場観察できることが示された。

口頭

Hex-Au(100)再構成表面上でのグラフェンの電子バンド構造の変調

寺澤 知潮; 保田 諭; 林 直輝*; 乗松 航*; 伊藤 孝寛*; 町田 真一*; 矢野 雅大; 斉木 幸一朗*; 朝岡 秀人

no journal, , 

本研究ではAu(100)単結晶上にグラフェンをCVD法によって作製し、角度分解光電子分光(ARPES)法によってグラフェンの電子バンド構造を直接観察した。グラフェンの直線的なバンド分散において、ディラック点から約0.9eV離れた領域に光電子強度の減少が確認された。これはこのエネルギー帯においてグラフェンのバンド構造が1.44nmの繰り返し周期を持つHex-Au(100)再構成構造によって変調を受けたことを示している。

口頭

Electronic band modification of graphene by surface reconstruction of Au (001)

寺澤 知潮; 保田 諭; 林 直輝*; 乗松 航*; 伊藤 孝寛*; 町田 真一*; 矢野 雅大; 斉木 幸一朗*; 朝岡 秀人

no journal, , 

Graphene shows constant absorptance of 2.3% in the wide range of wavelengths. The modification of the band structure of graphene is expected to tune such the optical properties of graphene, which will be useful for opto-electronic devices of graphene. Recently, quasi-one dimensional potential of hex-Au(001) reconstructed structure was reported to modify the electronic properties of graphene grown on this structure. Scanning tunneling spectroscopy showed that the density of state of graphene from its Dirac point by 1-2 eV decreased when graphene was grown on hex-Au(001). However, the band structure of graphene on hex-Au(001) was not observed, nor the relation between the band structure of graphene and the structure of Au(001) and graphene has not been revealed. Here, we report the band structure of graphene grown on hex-Au(001) using angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES). We prepared graphene on hex-Au(001) by chemical vapor deposition. Figure (a) shows the low energy electron diffraction (LEED) pattern of graphene grown on Au(001) single crystal. Four-folded and twelve-folded spots correspond to 90-degree rotated one-dimensional hex-Au(001) reconstructed structures and epitaxially grown graphenes on them, respectively. Figure (b) shows the ARPES image of this sample taken at AichiSR BL7U. The linear graphene band shows the intensity reduction at the binding energy of approximately 0.9 eV, indicating the modification of band structure of graphene by hex-Au(001). We will discuss the relation between the band structure of graphene and the structure of graphene and hex-Au(001) on the basis of the results of ARPES, LEED, and scanning tunneling microscopy in the poster presentation.

口頭

Au上グラフェンの電子バンド構造と熱放射光強度の関係

寺澤 知潮; 保田 諭; 林 直輝*; 乗松 航*; 伊藤 孝寛*; 町田 真一*; 朝岡 秀人

no journal, , 

グラフェンは波長に依存せず2.3%と一定の光吸収率および放射率を示すが、デバイス応用においては波長選択性を持つことが望ましい。本研究では1.44nmの周期を持つHex-Au(001)構造上にグラフェンを作製し、その電子バンド構造と熱放射光を観察した。熱放射光の700-900nmにおける光学顕微観察からHex-Au(001)構造上のグラフェンの熱放射光強度が減少していることがわかった。この試料の角度分解光電子分光はグラフェンのバンド構造の変調を示した。

口頭

Band modification of graphene by periodic potential of Au(100) reconstructed surface

寺澤 知潮; 保田 諭; 林 直輝*; 乗松 航*; 伊藤 孝寛*; 町田 真一*; 矢野 雅大; 斉木 幸一朗*; 朝岡 秀人

no journal, , 

One-dimensional (1-D) periodic potential is known to modify the electronic band structure of graphene. Such the modification were observed on vicinal surfaces of Ir(332) and Pt(997) by angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES). In these reports, however, the mixing of the orbitals of graphene and substrates were also observed. In order to focus on the effect of the 1-D periodic potential, graphene growth on the more inert surface was required. Here we report the band modification of graphene by a periodic potential of a hex-Au(100) reconstructed surface. Hex-Au(100) is composed of a square lattice of Au(100) in the bulk and a hexagonal lattice on the surface, resulting in the corrugated structure with the periodicity L=1.44 nm. We prepared graphene on hex-Au(100) by chemical vapor deposition. The periodic structure of hex-Au(100) was observed by scanning tunnelling microscopy. The ARPES image of the sample shows the band anomaly as the band modification was predicted. This means that the periodic corrugation of hex-Au(100) modified the graphene bands.

口頭

Au(001)の再構成によるグラフェンの放射率の変調

寺澤 知潮; 保田 諭; 林 直輝*; 乗松 航*; 伊藤 孝寛*; 町田 真一*; 朝岡 秀人

no journal, , 

炭素六員環の単原子層であるグラフェンは高いキャリア移動度や光透過率などの特性から次世代半導体材料として期待されている。グラフェンの光透過率は波長によらず2.3%と一定であるが、光デバイスへの応用のためには波長選択性が求められる。本研究ではAu(001)表面が再構成したHex-Au(001)構造に着目し、1.44nm周期の擬一次元周期ポテンシャルを持つHex-Au(001)構造がグラフェンのバンド構造と放射率に及ぼす変調を角度分解光電子分光(ARPES)法と熱放射光の顕微観察により明らかにすることを目的とした。Hex-Au(001)構造上にエピタキシャルに成長したグラフェンのARPES測定において、0.85eV付近に$$pi$$バンドの不連続が観測された。一方、グラフェンがランダムな方位に成長した場合のARPES測定においてはグラフェンの$$pi$$バンドは連続であった。以上の結果は、Hex-Au(001)構造によるグラフェンのバンド構造の変調を示している。

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