斬新なエネルギー支援物理蒸着法による超硬質ナノコンポジット薄膜の研究

采用新型能量辅助物理气相沉积方法研究超硬纳米复合薄膜

基本信息

批准号：
05F05327
负责人：
三宅正司
金额：
$ 1.54万
依托单位：
Kinki University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2007
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-05F05327/
关键词：
材料加工・処理ナノ材料複合材料・物性プラズマ加工

项目摘要

1)ICP支援マグネトロンスパッタリング法という斬新なエネルギー支援物理蒸着法により、Ti_<80>Si_<20>N薄膜を基板温度200℃以下で作成することができた。ICP支援により非晶質のTi_<80>Si_<20>Nは結晶化した。そして完全なTiN(200)面優先配向になった。熱力学的に安定で表面エネルギーの低いTiN(200)面が優先的に成長したのは、低いエネルギーで高い密度のイオンにより、吸着原子の表面移動度が増加して相分離が起こったからであると考えられた。さらにXRDとFESEMとXPSとHRTEMの分析より、膜は40GPa以上の硬度を有すると共に、nc-TiN/a-Si_3N_4ナノコンポジット薄膜の構造を形成していることが明らかになった。2)薄膜の持つ超硬質は、しばしば内部応力が主たる原因になるが、本研究で得られた薄膜の内部応力は数GPaで小さく、その超硬質発現は内部応力によるものではなく、特異なナノコンポジット効果に基づくものであることが確認された。即ち高密度で低エネルギーのイオン照射の効果により、膜の微細構造において相分離が起こり、結晶粒界におけるa-Si_3N_4の生成とTiN結晶の成長が抑制された。そしてこの構造は粒界の結合を強固にして粒界の滑りを抑制するので、膜の硬度が上昇したと推測された。3)さらに新規のナノコンポジット酸化物薄膜としてTiON系を対象として、同じ方法でTiO2合成を行ったところ、ICP支援によりアナターゼからルチルにいたる構造制御が可能な酸化物を合成できることがわかった。今後はこれに加えてミリ波という斬新なエネルギー支援を施して酸化物ナノコンポジット薄膜の研究を行う。4)誘導結合型プラスマ(ICP)という斬新なエネルギー支援により、内部応力が小さくかつ超硬質のナノコンポジット膜を低い成膜温度で合成することができた。さらに得られた膜の特性評価により超硬質発現の機構を明らかにすることができた。またこの手法は酸化物薄膜の場合にも有効に適用できることが見出された。

1）采用一种新型能量辅助物理气相沉积方法，称为ICP辅助磁控溅射，我们能够在低于200℃的衬底温度下制备Ti_<80>Si_<20>N薄膜。通过ICP载体使非晶态Ti_ 80 Si_ 20 N结晶。 TiN(200) 平面变得完全择优取向。人们认为，热力学稳定且表面能低的TiN(200)表面优先生长，因为低能量下离子密度高，吸附原子的表面迁移率增加，导致相分离。此外，XRD、FESEM、XPS和HRTEM分析表明，薄膜的硬度超过40 GPa，形成nc-TiN/a-Si_3N_4纳米复合薄膜结构。 2）薄膜的超硬度往往是由内应力引起的，但本研究得到的薄膜内应力很小，只有几个GPa，超硬度并不是由于内应力，而是由于经证实，这是基于复合效应的独特纳米技术。换句话说，高密度、低能量离子辐照的作用导致薄膜微观结构发生相分离，抑制了a-Si_3N_4的形成和晶界处TiN晶体的生长。据推测，这种结构增强了晶界之间的结合并抑制了晶界滑移，从而增加了薄膜的硬度。 3）此外，当使用TiON作为新型纳米复合氧化物薄膜使用相同方法合成TiO2时，发现可以在ICP支持下合成结构可以从锐钛矿控制到金红石的氧化物。未来，我们将使用一种称为毫米波的新型能量支持来研究氧化物纳米复合材料薄膜。 4）使用一种称为电感耦合等离子体（ICP）的新型能量支持，我们能够在低沉积温度下合成具有低内应力的超硬纳米复合材料薄膜。此外，通过评估所获得的膜的性能，我们能够阐明其超硬度的机制。还发现该方法可以有效地应用于氧化物薄膜。