プラズマプロセスを用いた炭素-窒素アロイングによる超硬質材料の開発

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11124222
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 高井 治 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (40110712)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 井上 泰志 名古屋大学, 工学研究科, 助手 (10252264) ; 杉村 博之 名古屋大学, 工学研究科, 助教授 (10293656)
• Keywords: 窒化炭素 / アークプラズマ / アモルファス / 超硬質材料 / シールド型アークイオンプレーティング / ナノインデンテーション / 摺動特性 / 化学結合状態

Research Abstract

本研究では,反応活性度の高いアークイオンプレーティング法を用いてa-C:N薄膜を作製し,構造および化学結合状態を明らかにすることによって,炭素と窒素の「アロイング」に関する基礎的知見を得るとともに,作製膜の機械的・光学的・電気的特性を評価し,新しい超高硬度材料,光学材料,また電子材料への応用の可能性を検討することを目的とした.トライボスコープを用い,アモルファス窒化炭素(a-C:N)薄膜の硬度および摩耗特性の評価を行った.さらに,電界放射特性評価を行った.なお,同じ成膜手法を用いてアルゴン含有アモルファス炭素(a-C:Ar)薄膜を作製し,特性の比較を行った.
【化学結合状態】sp混成比率およびN/C原子数比は,基板に印加するバイアスによって制御できた.しかし,これらの事象は独立でなく,過剰の負バイアス値によってsp^3混成成分の減少と窒素含有率の低下が同時に起こる.結晶性β-C_3N_4を多結晶状態で合成するには,sp^3結合と高い窒素含有率を同時に実現させなければならないため,今後,結合状態と窒素含有率を独立に制御するプロセス・作製条件を見出す必要がある.
【機械的特性】トライボスコープによるナノレベルでの摩耗試験の結果,a-C:N膜がa-C:Ar膜よりはるかに優れた耐摩耗性を有することがわかった.特に,基板バイアス-300Vで作製したa-C:N膜は耐摩耗性が最も高く,今回の試験方法(荷重20μN,30回繰り返し)では摩耗が検出できないほどであった.a-C:N膜の優れた耐摩耗性には,C-N化学結合状態,特に窒素のβ-C_3N_4的結合成分が重要な役割を果していると考えられる.
【電界放射特性】a-C:N膜は,約10V/μmという低いしきい値電界で電界放射現象を起こし,a-C:N膜の電界放射デバイスとしての応用の可能性が明らかとなった.

Research Products

• [Publications] Nobuhiro Tajima: "Tribological properties of a-C : N and a-C films prepared by shielded arc ion plating"Vacuum. (in press). (2000)
• [Publications] Nobuhiro Tajima: "Nanomechanical properties of amorphous carbon and carbon nitride thin films prepared by shielded arc ion plating"Proc. Materials Research Society Symposium. (in press). (1999)
• [Publications] Nobuhiro Tajima: "Wear Resistant Thin Films of Amorphous Carbon Nitride Prepared by Shielded Arc Ion Plating"Jpn. J. Appl. Phys. Lett.. 38. L1131-L1133 (1999)
• [Publications] Tomohiko Sogo: "Properties of Amorphous Carbon Nitride Thin Films Prepared by Unbalanced Magnetron Sputtering"Proc. 5th Int. Symp. on Sputtering & Plasma Process. 229-230 (1999)
• [Publications] 高井治: "CNx材料とその機械的性質"トライボロジスト. 44. 680-686 (1999)