(1) 量子ビートに関する理論的研究
大学院時代には孤立分子の無放射過程に興味を持ち、分子固有状態の言葉で無放射遷移を取り扱う手法を模索していた。分子固有状態で考えた場合には、無放射遷移の本質はコヒーレントに励起された数多くの準位間の量子力学的干渉であり、その最も単純な系は二準位間の干渉で観測される量子ビートである。私は、従来の量子ビートに関する取扱いが、コヒーレントに励起された個々の準位の自然幅に比べ二準位間のエネルギー差が十分大きいときには良い近似で成立するが、自然幅が十分重なりあうような非常に近接した場合には適用できないことを示し、如何なる条件下でも適用できる方程式を導出した。さらに、この方程式自身が内包する対称性に着目し、方程式の解の時間発展をミンコフスキー空間でのベクトルの歳差運動として幾何学的に表現した。以上の業績に対し、井上科学振興財団第9回井上研究奨励賞を受賞した。

"Geometrical representation of the equations for solving quantum beat problems"
J. Chem. Phys., 92 (7) (1990) pp.4387-4393.
Kenji Furuya and Yasuhiko Gondo


(2) 気相分子や陽イオン、クラスターの電子状態と解離過程に関する実験的研究
高励起状態にある分子や陽イオンの電子状態、解離過程は極めて複雑であり、様々な観測手法によって得られる断片的な情報を総合的に解釈しなければ、その全容は掴みきれない。このような考えから、私はいくつもの新しい装置を開発し、研究を進めた。

(i) 孤立分子やクラスターの電子状態と光解離
分子科学研究所UVSORの真空紫外光用ビームラインに設置されていた観測装置を改造し、超音速分子線を用いた、しきい光電子－光イオンコインシデンス装置を開発した。これは類似の装置としては世界最高の並進運動エネルギー分解能を誇る。この装置を用いてアルゴンクラスターイオンの解離過程やアセトンダイマーのイオン化状態に関する研究を行った。また、メタン分子の解離性イオン化過程を研究した。

(ii) 電子衝撃による分子の励起と発光性フラグメントを生ずる解離過程
超音速自由噴流を用いた電子衝撃発光観測装置を新たに開発し、アセチレンやメタン等からのCH(B-X)発光の励起関数を世界で初めて観測した。さらに、CH(B-X)発光の高分解能スペクトル測定からB状態の振動回転分布の衝撃エネルギー依存性を測定した。また、HODの電子線衝撃解離によるH(n=4)/D(n=4)およびOH(A)/OD(A)生成分岐比の決定を行った。さらに、電子線衝撃励起で生成されたp-ジフルオロベンゼンのS₁状態における分子内振動エネルギー再分配の速度が、ナノ秒レーザー励起で報告されている結果に比べて1桁以上速い事を実験的に示した。

(iii) 発光を伴う解離性イオン化過程
種々の分子の光電子スペクトルには、サテライトバンドと呼ばれる多電子遷移に由来した高励起イオン化状態に帰属されるバンドが現れる。このような状態は非常に大きな内部エネルギーを持つため、発光や解離など複数の過程を通して内部エネルギーを放出する。しかしながら、このような高励起イオンのダイナミクスについてはほとんど研究が進んでいない。そこで、電子衝撃によるフラグメントイオン－発光コインシデンス測定装置を世界で初めて開発し、エチレンの電子衝撃で生成するCH(A－X)発光とH⁺, CH⁺, CH₂⁺の相関を直接観測した。さらに、観測されたバンドの線形をシミュレーションするモンテカルロ計算プログラムを開発し、これらイオンの生成分岐比や平均並進エネルギーを見積もることができた。加えて、本測定法が種々の分子に適用できることを実証した。この一連の成果は世界的にも高く評価されており、国際学会で2度の招待講演を行なった。また、本研究に対して第1回（2001）九州大学総長賞（若手研究者奨励）奨励賞を受賞した。

(iv) 高リュードベリ分子の解離過程
多原子分子の高リュードベリ状態に関する研究は、ゼロ運動エネルギー光電子分光法の開発とともに急速に発展してきた。一方、そのような状態からのイオンコアの解離過程については、いまだほとんど手がつけられていない。そこで、高リュードベリ多原子分子の解離によって生成する高リュードベリ多原子フラグメントの質量分析装置を世界で初めて開発した。この装置を用いて、高リュードベリ状態にあるエタン分子の解離はコアイオンモデルに従うけれども、生成した高リュードベリ多原子フラグメントの寿命はフラグメントの種類に大きく依存することを実験的に示した。

"Energy partitioning in the dissociation reaction Ar₃⁺ → Ar₂⁺ + Ar"
J. Chem. Phys., 97 (2) (1992) pp.1022-1027.
Kenji Furuya, Katsumi Kimura, and Takato Hirayama

"Photoelectron spectra of acetone and acetone dimer"
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 62 (3) (1993) pp.237-243.
Kenji Furuya, Shunji Katsumata, and Katsumi Kimura

"Excitation functions of the slow and fast groups of the excited hydrogen atom produced in e-H₂ collisions"
Bull. Chem. Soc. Jpn., 66 (11) (1993) pp.3506-3507.
Teiichiro Ogawa, Youichi Jinbou, Nobuaki Yonekura, Kenji Furuya, and Keiji Nakashima

"The emission cross section of the Paschen-β line produced in electron-hydrogen collisions"
Chem. Lett., 1994 (4) (1994) pp.775-776.
Teiichiro Ogawa, Nobuaki Yonekura, Masami Kido, Kenji Furuya, and Keiji Nakashima

"Dissociation dynamics of CH₄⁺ core ion in the ²A₁ state"
J. Chem. Phys., 101 (4) (1994) pp.2720-2728.
Kenji Furuya, Katsumi Kimura, Yasuhiro Sakai, Toshinobu Takayanagi, and Nobuaki Yonekura

"Low-energy electron impact investigation of the triplet states of cyclopentanone and cyclohexanone"
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom., 73 (1) (1995) pp.59-64.
Kenji Furuya, Etsuji Yamamoto, Youichi Jinbou, and Teiichiro Ogawa

"Fano plot of the Paschen line of the excited hydrogen atom (n=4) produced in e-H₂ collisions"
Chem. Phys., 199 (2,3) (1995) pp.313-317.
Nobuaki Yonekura, Kenji Furuya, Keiji Nakashima, and Teiichiro Ogawa
"Rovibrational distributions of CH(B ²Σ^-) produced in electron-C₂H₂ collisions"
J. Phys. Chem., 99 (38) (1995) pp.13772-13777.
Kenji Furuya, Akihiro Matsuo, Manabu Tokeshi, and Teiichiro Ogawa

"Direct observation of IVR under white light excitation: Fluorescence spectra of p-difluorobenzene by controlled electron impact"
Chem. Phys. Lett., 253 (1, 2) (1996) pp.87-91.
Kenji Furuya, Eri Koto, and Teiichiro Ogawa

"Branching ratio for the production of OD(A) and OH(A) by controlled electron impact on HOD"
J. Chem. Phys., 106 (5) (1997) pp.1764-1768.
Kenji Furuya, Fumihiro Koba, and Teiichiro Ogawa

"Isotope effects in rovibrational distributions of OH(A) and OD(A) produced by electron impact on H₂O and D₂O"
Spectrochim. Acta Part A, 53 (5) (1997) pp.665-669.
Kenji Furuya, Fumihiro Koba, and Teiichiro Ogawa

"Absolute emission cross sections of the Paschen-α line and production dynamics of the 4F state of the excited hydrogen atom in e-H₂ collisions"
J. Chem. Phys., 107 (4) (1997) pp.1147-1151.
Nobuaki Yonekura, Kenji Furuya, Keiji Nakashima, and Teiichiro Ogawa

"Rotational distributions and threshold energies of the CH(B-X) emission by controlled electron impact on methane, ethylene, and ethane"
Chem. Phys., 221 (3) (1997) pp.303-309.
Kenji Furuya, Takeshi Ueda, Manabu Tokeshi, and Teiichiro Ogawa

"H(n=4)/D(n=4) branching ratio by controlled electron impact on HOD"
J. Chem. Phys., 107 (13) (1997) pp.4979-4984.
Kenji Furuya, Fumihiro Koba, and Teiichiro Ogawa

"A new band of O⁺ observed in measurements of angle-resolved translational energy by electron impact on O₂"
Chem. Phys. Lett., 287 (5,6) (1998) pp.653-658.
Akihiro Matsuo, Kenji Furuya, and Teiichiro Ogawa

"Correlation between CH(A) and H⁺ produced by dissociative ionization of ethylene"
Chem. Phys. Lett., 288 (5,6) (1998) pp.816-820.
Kenji Furuya, Eri Koto, Takeshi Ueda, Kouichiro Maruyama, and Teiichiro Ogawa

"Translational energy distributions of excited CH⁺ ions produced by electron impact on methane"
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 32 (3) (1999) pp.621-629.
Kenji Furuya, Hirofumi Hayakawa, Akihiro Matsuo, and Teiichiro Ogawa

"Dissociative ionization accompanying emission by electron impact on N₂O using Fragment Ion-Photon Coincidence (FIPCO) measurements"
Chem. Phys. 242 (1) (1999) pp.91-101.
Akihiro Matsuo, Kenji Furuya, and Teiichiro Ogawa


"Fragment ion-photon coincidence (FIPCO) measurements by electron impact on ethylene and the Monte Carlo simulation of the band shape"
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 32 (13) (1999) pp.3167-3182.
Kenji Furuya, Eri Koto, Takeshi Ueda, Kouichiro Maruyama, Akihiro Matsuo, and Teiichiro Ogawa

"Mass analysis of high-Rydberg fragments produced by electron impact on ethane by use of a pulsed-field-ionization technique"
Chem. Phys. Lett., 313 (3,4) (1999) pp.559-564.
Kenji Furuya, Kaname Ishikawa, Akihiro Matsuo, and Teiichiro Ogawa

"Direct observation of intramolecular vibrational energy redistribution under white light excitation II: Fluorescence spectra of fluorobenzene derivatives by controlled electron impact"
Spectrochim. Acta A, 56 (3) (2000) pp.515-521.
Eri Koto, Kenji Furuya, and Teiichiro Ogawa

"Mass analysis of polyatomic high-Rydberg fragments produced by electron impact on methane"
Chem. Phys. Lett., 319 (3,4) (2000) pp.335-340.
Kenji Furuya, Kaname Ishikawa, and Teiichiro Ogawa

"Fragment ion-photon coincidence (FIPCO) study of dissociative ionization accompanying light emission by electron impact on acetylene"
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 33 (8) (2000) pp.1475-1486.
Kenji Furuya, Kouichiro Maruyama, Eri Koto, Akihiro Matsuo, and Teiichiro Ogawa

"Fragment ion-photon coincidence investigation of carbon tetrafluoride by controlled electron impact"
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 34 (8) (2001) pp.1405-1413.
Kenji Furuya, Eri Koto, and Teiichiro Ogawa

"Fragment ion-photon coincidence investigation of trifluoromethane by controlled electron impact"
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 35 (4) (2002) pp.1015-1024.
Kenji Furuya, Kouhei Matsuo, Eri Koto, Kouichiro Maruyama, Yoshihiko Hatano, and Teiichiro Ogawa

"The production of CO⁺(A ²Π) from dissociative ionization of CO₂. A fragment ion-photon coincidence spectroscopic investigation"
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 35 (14) (2002) pp.3077-3086.
Kenji Furuya, Akihiro Matsuo, and Teiichiro Ogawa

"Pulse height distribution of output signals in the positive ion detection by a microchannel plate"
Int. J. Mass Spectrom., 218 (2002) p.237-243.
Kenji Furuya and Yoshihiko Hatano

"Contribution of the 4p sublevel to the Balmer-β emission intensity from H(n = 4) produced in electron-H₂, CHF₃, CH₄ and C₃H₈ collisions as studied by photon-photon coincidence experiments"
Chem. Phys., 295 (3) (2003) pp.229-234.
Kenji Furuya, Youhei Shimoida, Kouhei Matsuo, Yoshihiko Hatano


(3) プラズマ化学に関する実験的研究
(i) CF₃²⁺を利用した、パーフルオロカーボン（PFC）プラズマ中でのCF₄の定量分析
PFCプラズマはLSI製造時のドライエッチング工程に必要不可欠だが、CF₄などの化学的に安定なPFCは地球温暖化係数（GWP）がCO₂の1万倍前後と極めて高い。そこで半導体業界では、GWPの小さな代替PFCを使ったドライエッチング工程の開発を進めている。しかしながら、代替PFCプラズマ中でもCF₄などGWPの大きなPFCが再合成され排出されてしまうという大きな問題が生じている。私は、70 eVの電子衝撃イオン化では、CF₄からのみCF₃²⁺イオンが生成し、プラズマ中に多量に含まれるCF₃ラジカルや、C₂F₆、C₃F₈、c-C₄F₈分子からCF₃²⁺イオンは生成しないことを実証し、簡便な残留ガス分析用質量分析装置を用いてプラズマ中のCF₄を定量分析できることを示した。さらにこの手法を用い、PFCプラズマ中のCF₄の再合成が、プラズマの下流領域においてもかなり進行していることを見出した。この事実は、エッチングプロセスにあまり影響を与えずにプラズマプロセス中でCF₄の再合成を抑制することが原理的には可能であることを示唆している。

(ii) 気相における分子成長
リチウムイオン付着質量分析法がプラズマ中における分子成長の研究に極めて有効であることを見出し、1 Paという低圧条件下においても、Ar/CF₄プラズマの下流領域において質量数の大きな様々な分子や陽イオンが生成していることを発見した。本研究は、三体衝突による生成物の安定化が殆ど期待できない圧力下での分子成長という、化学反応を理解するための本質に係わる重要な知見を含んでいると確信している。現在、分子成長のメカニズム解明を目的として研究を進めている。

(iii) 液相における分子成長と分解
気液界面における大気圧放電を利用することにより、塩化金酸水溶液に他の化学物質を一切添加しなくても、六角形の金ナノ結晶を合成することに成功した。さらに、水溶液中の溶存ガスをCO₂に置き換えることにより、粒径や結晶形を制御できることを見出した。
　また、この放電方法を利用し、イオン液体に溶解したセルロースの分解を試みた。イオン液体に2 wt%の水を混合することにより、わずか40秒の放電時間でセルロースを15％分解できることを実証した。

(iv) 固体表面における分子成長
PFCポリマーは低誘電率層間絶縁膜として有望視されているが、熱安定性や基板への密着性に欠けるために未だ実用化には至っていない。そこで、基板に密接した領域におけるPFCポリマーの特性を明らかにするために、PFCプラズマ下流において薄膜を堆積させ、X線光電子スペクトル測定や原子間力顕微鏡を用いた薄膜表面の画像観測を行った。その結果、基板の種類（Ag、Al、SiO₂）に応じて膜の表面構造や化学結合状態が大きく異なることが判明した。
　また、上記(ii)と同様の研究をCH₄プラズマについて行ったところ、純メタンプラズマでは炭素数27に至る様々な炭化水素分子が気相中に存在していることを確認した。CH₄プラズマではプラズマ発生部付近に膜が堆積する。この膜が気相中に存在する様々な炭化水素分子の量に及ぼす影響を詳細に調べた結果、これらの炭化水素分子はプラズマ発生部の石英管表面や堆積膜表面で成長し、気相中に放出されていることが判明した。

"Quantitative Analysis of CF₄ Produced in the SiO₂ Etching Process by c-C₄F₈, C₃F₈, and C₂F₆ Plasmas Using In Situ Mass Spectrometry"
Jpn. J. Appl. Phys., 43 (1) (2004) pp.342-346.
Kenji Furuya and Yoshihiko Hatano

"Growth of fluorocarbon macromolecules in a gas phase (I). Mass spectrometric investigation of products in the downstream region of Ar/CF₄ plasmas"
Chem. Lett. 34 (2) (2005) pp.224-225.
Kenji Furuya, Shinobu Yukita, Hiroshi Okumura, and Akira Harata

「パーフルオロ化合物プラズマ下流における気相分子成長 －観測・反応・成膜－」
真空（J. Vac. Soc. Jpn.）49 (3) (2006) pp.195-197.
古屋謙治、雪田忍、奥村洋史、中西良一、蒔田慎、原田明

"Growth of fluorocarbon macromolecules in the gas phase: II. The growth mechanisms of large positive ions observed in the downstream region of Ar/CF₄ plasmas"
Jpn. J. Appl. Phys., 45 (6A) (2006) pp.5219-5231.
Kenji Furuya, Shinobu Yukita, and Akira Harata

"Protective Agent-free Preparation of Gold Nanoplates and Nanorods in Aqueous HAuCl₄ Solutions Using Gas-Liquid Interface Discharge"
Chem. Lett., 36 (9) (2007) pp.1088-1089.
Kenji Furuya, Yuko Hirowatari, Toshio Ishioka, and Akira Harata

"Influence of substrate type on surface structure of polymeric perfluorocarbon in the initial stage of deposition in Ar/c-C₄F₈ plasmas"
Thin Solid Films, 516 (2008) pp.6028-6032.
Kenji Furuya, Ryoichi Nakanishi, Hiroshi Okumura, Makoto Makita, and Akira Harata

"気液界面への放電を利用した金ナノ粒子の合成"
The Bulletin of Nano Science and Technology, 7 (1) (2008) pp.15-19.
吉永大知、広渡祐子、古屋謙治、石岡寿雄、原田明

"Mass spectrometric investigation and formation mechanisms of high-mass species in the downstream region of Ar/CF₄/O₂ plasmas"
Phys. Chem. Chem. Phys., 11 (6) (2009) pp.934-942.
Kenji Furuya, Akihiro Ide, Hiroshi Okumura, and Akira Harata

"Growth of fluorocarbon macromolecules in the gas phase: IV. Li⁺-attachment mass spectrometric investigation of high-mass neutral radicals in the downstream region of Ar/c-C₄F₈ plasmas"
J. Phys. D: Appl. Phys., 42 (6) (2009) 065205 (8 pages).
Hiroshi Okumura, Kenji Furuya and Akira Harata

"Mass spectrometric analysis of chemical species in the downstream region of Ar/CF₄/H₂ plasmas"
J. Plasma Fusion Res. Series, 8 (2009) pp.1361-1365.
Yuji Tamai, Hiroshi Okumura, Kenji Furuya and Akira Harata

"Growth of neutral species in the downstream region of perfluorocarbon plasmas"
J. Plasma Fusion Res. Series, 8 (2009) pp.705-710.
Hiroshi Okumura, Kenji Furuya and Akira Harata

"Mass spectrometric investigation of high-mass neutral species in the downstream region of Ar/CH₄ plasmas"
J. Appl. Phys., 110(1) (2011) 013304 (10 pages).
Kenji Furuya, Akihiro Ide, and Akira Harata

"Rapid decomposition of cellulose dissolved in ionic liquid using gas-liquid interface discharge"
Jpn. J. Appl. Phys., 51(7) (2012) 070205 (3 pages).
Shoichiro Furukawa, Nobuhiro Inoue, Toshio Ishioka, Kenji Furuya, Akira Harata



Top Pageに戻る