非平衡分子気体流研究分野

ナノ流動研究部門

Nanoscale Flow Research Division

非平衡分子気体流研究分野

Non-Equilibrium Molecular Gas Flow Laboratory

(兼)教授
小原 拓
Concurrent Professor
Taku
Ohara
准教授
米村 茂
Associate Professor
Shigeru
Yonemura

半導体デバイス製造のための希薄気体流れやプロセスプラズマ、および、MEMS/MEMS近傍のマイクロスケールの流れでは、流れの代表長さに比べて分子の平均自由行程が無視できないほど大きくなるため、分子間衝突数が極端に減少して非平衡性が強くなります。このような流れは連続体と見なされず、ボルツマン方程式により、原子・分子・イオン・電子の運動を取り扱わなくてはなりませんが、近年の微細加工技術の発展からその工業的な重要性は年々高まっています。当研究分野では、このような流れの物理現象を解明するとともに、産業への応用研究を行っています。

In rarefied gas flows and processing plasmas for semiconductor manufacturing and microscale gas flows in the neighborhood of MEMS/MEMS, mean free path of molecules cannot be negligible compared with characteristic lengths of gas flows. Such flows are in strong nonequilibrium due to lack of intermolecular collisions and cannot be considered as a continuum. Therefore, they have to be treated in view of atoms, molecules, ions and electrons. Due to the development of recent microfabrication technology the industrial importance of rarefied gas flow has increased year by year. We study the physical phenomena of such flows and use the knowledge obtained here in industry.

ナノ気体潤滑の分子気体力学アプローチによる研究
Molecular Gas Dynamics Study of Nanoscale Gas Lubrication

本研究ではナノスケールの表面微細構造を持つ摺動面における気体潤滑現象を取り扱います。例えば、部分研磨されたダイヤモンド膜は、摺動速度が大きくなると摩擦係数が著しく小さくなります。これは両面間を流れる気体に高い圧力が発生し、スライダーを浮上させるためであると考えられますが、圧力発生機構は未解明です。本研究では分子気体力学の観点から本現象を解明し、産業への応用研究を行っています。

The friction coefficient of a partly polished diamond coating becomes zero as sliding speed is increased, but the mechanism has not been solved. We consider that nanoscale roughness of the partly polished diamond coating may cause high gas pressure between two sliding surfaces and realize this gas lubrication. We clarify the mechanism by the molecular gas dynamics approach.

複雑なマイクロ・ナノスケール流路を流れる気体流の数値解法の開発
Development of Numerical Solution for Gas Flow in complicated and Micro-Nanoscale Channel

マイクロ・ナノスケールの流路内の輸送現象を解析するためには、分子運動を直接追跡し、その統計平均により速度・温度・圧力などのマクロ量を得るDSMC法が有効です。しかし、触媒式排気ガス浄化装置や燃料電池の電極など、空孔をもつ多孔質体内の構造は複雑であり、その取り扱いは困難です。しかも分子速度に比較して非常に低速な流れとなるため、統計的なゆらぎによる誤差が大きくなり、それを取り除くために多くのサンプル分子を必要とし、計算負荷が大きくなります。本研究では、複雑形状をもつ流路内のマイクロ・ナノ気体流を効率よく取り扱うことができる数値解法を開発しています。

DSMC method is suitable to solve the transport phenomena in micro-nanoscale channel. However, performing DSMC simulation of gas flow in porous media, which appears in various regions of engineering, e.g., catalytic converters and fuel cells, is difficult because of its complicated surface structure and its slow speed. We develop the high performance numerical solution of such a gas flow.

非平衡プラズマに関する研究
Research of Non-Equilibrium Plasma

イオンエンジンや半導体プロセスに用いられるプラズマは、低ガス圧条件で生成され、高い電子温度と低いガス温度、イオン温度を持ち、強い非平衡性を示します、このようなプラズマの支配方程式はボルツマン方程式とマクスウェル方程式です、当研究分野ではPIC/MC法により、非平衡プラズマの物理現象を調査し、応用研究を行っています。

Plasmas for ion thruster and microfabrication of semiconductor devices are generated in rarefied gas and show strong non-equilibrium. The governing equations of plasma are Boltzmann equations and Maxwell equations. We researches physical phenomena in non-equilibrium plasma, and conducts applied industrial research.

非平衡分子気体流研究分野