格子欠陥制御と電気化学処理の融合による新規金属/SiC複合材料の創製

结合晶格缺陷控制和电化学加工创建新型金属/SiC复合材料

基本信息

批准号：
21J14738
负责人：
前田有輝
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J14738/
关键词：
シリコンカーバイド陽極酸化中赤外自由電子レーザー

项目摘要

本研究は，イオン照射と陽極酸化を組み合わせることで作製される多孔質（ポーラス）SiCに金属を電析によって充填することで，剛性と靭性をあわせ持つ新規金属/SiC複合材料の作製を目的としている．当該年度ではSiC上への陽極酸化によるポーラス構造作成に向けて，電気化学反応活性制御に着目し研究を行った．これまでの研究からイオン照射によってSi-C結合を破壊することでできる格子欠陥が陽極酸化を促進し，ポーラスSiC形成が可能になることがわかっている．しかしイオン照射は破壊的手法であるためにSiCの半導体特性が失われてしまうことが問題となっていた．この背景を踏まえて，中赤外自由電子レーザー(MIR-FEL)を用いてSi-C結合を振動（格子振動励起）させることでSiCの電気化学活性を誘起できるかどうかについて検討を行った．その結果格子振動励起によってSiC中に積層欠陥が導入され，SiCの電気化学活性が向上することがわかった．また励起する格子振動モードによって，積層欠陥の入り方に差異が見られ，活性向上の挙動が異なるという結果を得た．この結果の応用として，SiC上への白金の置換析出に着目し研究を行った．本来SiCは不活性な材料であるために白金の置換析出は起こりづらい．しかしMIR-FELを照射することで白金の析出が促進されることを見出した．またMIR-FEL照射による電気化学活性の向上はSiCの半導体特性の変化が小さいことも見出しており，イオン照射とともにMIR-FELによる格子振動励起がSiCの陽極酸化による表面加工に応用可能であることを示唆する結果となった．さらにSiCの陽極酸化に用いる電解液を探索する過程で，超濃厚水溶液を用いた陽極酸化によって，高密度かつ表面粗さの小さい酸化膜を作製できることを見出した．この結果から自由水の量の制御がSiCの陽極酸化には重要であるという知見を得た．

本研究的目的是通过电沉积的方式将离子辐照和阳极氧化相结合产生的多孔SiC填充到金属中，从而创造出一种兼具刚性和韧性的新型金属/SiC复合材料。在本财年，我们的重点是控制电化学反应活性，通过阳极氧化在 SiC 上创建多孔结构。先前的研究表明，离子辐照破坏Si-C键而产生的晶格缺陷会促进阳极氧化，从而有可能形成多孔SiC。然而，由于离子照射是一种破坏性方法，因此存在碳化硅的半导体特性丧失的问题。基于这一背景，我们研究了是否有可能通过使用中红外自由电子激光器（MIR-FEL）振动Si-C键（晶格振动激发）来诱导SiC中的电化学活性。结果表明，通过晶格振动激发，SiC中引入了堆垛层错，提高了SiC的电化学活性。此外，我们发现根据激发的晶格振动模式，堆垛层错进入的方式存在差异，结果表明活性增强行为不同。作为这一结果的应用，我们重点研究了铂在 SiC 上的替代沉淀。由于SiC本来就是惰性材料，因此铂很难发生置换沉淀。然而，我们发现 MIR-FEL 照射促进了铂的沉淀。我们还发现，MIR-FEL辐照引起的电化学活性的改善对SiC的半导体性能几乎没有影响，并且MIR-FEL的离子辐照和晶格振动激发可以应用于SiC的阳极氧化表面处理。结果表明。此外，在寻找用于SiC阳极氧化的电解质的过程中，我们发现使用超浓水溶液进行阳极氧化可以产生高密度和低表面粗糙度的氧化膜。从该结果中，我们了解到控制游离水的量对于 SiC 的阳极氧化很重要。