フェムト秒レーザー照射によるバルク結晶金属の表層ガラス化

• Project/Area Number: 18029014
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 佐野 智一 Osaka University, 大学院・工学研究科, 助教 (30314371)
• Project Period (FY): 2006 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥5,600,000 (Direct Cost: ¥5,600,000); Fiscal Year 2007: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2006: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
• Keywords: フェムト秒レーザー / 衝撃波 / 超高圧 / 超急冷 / 非平衡材料 / アモルファス / 金属ガラス

Research Abstract

本研究の目的は、バルク結晶金属にフェムト秒レーザーを照射し、表層をガラス化することである。フェムト秒レーザー照射によるガラス化の報告はこれまでにはない。フェムト秒レーザーを金属表面に照射すると強度100-300GPa程度の衝撃波が駆動され固体内を伝播する。また、パルス幅が極めて短い為溶融層が極めて薄く、従つて冷却速度は10^<13>K/s程度と極めて大きい。これらはパルス幅が長い(ナノ秒以上)レーザーでは起こらない現象である。本研究では、超高圧および超急冷を同時に達成するフェムト秒レーザーを用いて、バルク結晶金属表層にこれまでにない金属ガラス合成を目指す。
昨年度は、そもそもフェムト秒レーザー照射によってアモルファス化が可能かどうかを調べる為に、アモルファス形成能の高いγ-CuTi合金のフェムト秒レーザー誘起アモルファス化を調べた。その結果、表層約400nmがアモルファス化していることが確認された。アモルファス相が誘起された機構としては以下の2つが考えられた;1)フェムト秒レーザー駆動衝撃圧縮による力学的効果、2)レーザー誘起溶融層凝固時の急冷効果。
今年度は、このどちらの因子が寄与しているかを確かめる為に、衝撃波の駆動されないナノ秒レーザーおよび連続波レーザーをγ-CuTiに照射し、照射部の結晶構造をTEM観察及び電子線回折によつて調べた。ナノ秒レーザー照射部の溶融再凝固部はアモルファス化しており、アモルファス相の中に結晶相が核生成していることがわかった。また、このアモルファス層は表層から2μm程度の厚みで形成されていた。おおよその冷却速度は、ナノ秒レーザー照射に対して10^9K/s、フェムト秒レーザー照射に対して10^<13>K/sである。この大きな冷却速度の違いがアモルファス形成に大きな影響を及ぼしており、フェムト秒レーザーは極めて大きな冷却速度を達成できるので、アモルファス形成に対して極めて優位であると言える。

Research Products

• [Journal Article] フェムト秒レーザー駆動衝撃波によるシリコン高圧相の凍結 (2008)
  • Author(s): 辻野雅之, 佐野智一, 尾崎典雅, 坂田修身, 大越昌幸, 井上成美, 兒玉了祐, 廣瀬明夫
  • Journal Title: 第14回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術シンポジウム( Mate2008 )予稿集 14 Pages: 311-314
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Femtosecond Laser Synthesis of Polymorphic Diamond from Highly Oriented Pyrolytic Graphite (2007)
  • Author(s): T., Sano・K., Takahashi・A., Hirose・O., Sakata・M., Okoshi・N., Inoue・K.F., Kobayashi
  • Journal Title: Mater. Sci. Forum Vol. 561-565 Pages: 2349-2352
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Femtosecond Laser Synthesis of High-Pressure Phases of Si (2007)
  • Author(s): M., Tsujino・T., Sano・N., Ozaki・O., Sakata・M., Okoshi・N., Inoue・R., Kodama・A., Hirose
  • Journal Title: Advanced Materials Research Vol. 26-28 Pages: 1291-1294
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Femtosecond Laser Ablation of Zr_<55>Al_<10>Ni_5Cu_<30> Bulk Metallic Glass (2007)
  • Author(s): T.Sano, K.Takahashi, A.Hirose, K.F.Kobayashi
  • Journal Title: Mater. Sci. Forum Vol. 539-543 Pages: 1951-1954
• [Journal Article] Femtosecond laser synthesis of the high-pressure phase of iron (2006)
  • Author(s): T.Sano, O.Sakata, E.Ohmura, I.Miyamoto, A.Hirose, K.F.Kobayashi
  • Journal Title: Mater. Sci. Forum Vol. 512 Pages: 349-354
• [Journal Article] Femtosecond laser quenching of the high-pressure phase of iron in the single crystal (2006)
  • Author(s): T.Sano, A.Hirose, K.F.Kobayashi, O.Sakata
  • Journal Title: Proc. Smart Processing Technology 1 Pages: 17-20
• [Presentation] フェムト秒レーザー駆動衝撃波による高圧非平衡物質の創製 (2008)
  • Author(s): 佐野 智一
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第28回年次大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2008-01-30