2015 Fiscal Year Research-status Report
シリコンおよび窒素を添加したダイヤモンドライクカーボンの新規機能の発現と高機能化
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15K06432
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
中澤 日出樹 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (90344613)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | カーボン材料 / プラズマ化学気相成長法 / レーザーアブレーション法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、従来のDLC膜に比べて機械的特性、摩擦摩耗特性、熱的安定性、可視光透過性および電気的特性が飛躍的に向上するシリコン(Si)および窒素(N)を共添加した新規DLC（Si-N-DLC）膜の研究開発を行う。また、膜特性と組成・化学結合状態・構造との相関関係を詳細に調べることで、SiおよびNを共添加した新規DLC膜のもつ機能を最大限に発現させるための基礎的知見を得ることを目的とする。プラズマ化学気相成長（CVD）法やレーザーアブレーション法により作製条件を変化させてSi-N-DLC膜を作製し、化学結合状態・組成・構造と機械的・摩擦摩耗特性、電気・光学的特性との関連性を明らかにし、膜特性を向上させるための基礎的な知見を得る。
N源として窒素ガスを用いたプラズマCVD法により作製したN-DLC膜を評価した結果、以下のことが明らかになった。N含有量の増加に伴い内部応力および光学ギャップは減少した。電気抵抗率は約1%以下の窒素添加により7桁減少することがわかった。P型SiとN-DLC膜によるヘテロ接合は整流特性を示すことを確認し、最適な窒素含有量において最も大きな整流比を示した。N源およびSi源として窒素ガスおよびメチルシランを用いたプラズマCVD法により作製したSi-N-DLC膜を評価した結果、以下のことが明らかになった。Si-N-DLC膜の密着性はSi-DLC膜に比べて高くなることがわかった。Si-N-DLC膜の光透過率はSi-DLC膜よりも高く、SiおよびN含有量の増加に伴い光透過率は増加した。またSi-N-DLC膜の電気抵抗率は高く絶縁体であることがわかった。これらの電気・光学的特性の結果はN-DLC膜とは対照的であり、Si-N-DLC膜中に優先的に形成されるSi-N結合によってこれらの結果を説明することができる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の全体構想は、独自の実験事実に基づく革新プロセス技術を開拓することでSiとNを共添加したDLC(Si-N-DLC)を作製し、諸特性と組成・化学結合状態・構造との相関関係を明らかにすることで、Si-N-DLCの更なる高性能化を実現することである。第一の目的は、Si-N-DLCの機械的特性、摩擦摩耗特性およびそれらの熱的安定性の更なる向上である。第二の目的は、従来のDLCでは実現が困難であった高い誘電率、可視域での高い透明性、絶縁体から半導体までの幅広い電気抵抗率といった新たな電気・光学特性をSi-N-DLCに発現させることである。
N源として窒素ガスを用いたプラズマCVD法により作製したN-DLC膜を評価し、N含有量の増加に伴い内部応力および光学ギャップが減少することを明らかにした。また、電気抵抗率は約1%以下の窒素添加により7桁減少した。N源およびSi源として窒素ガスおよびメチルシランを用いたプラズマCVD法により作製したSi-N-DLC膜を評価した結果、Si-N-DLC膜の密着性はSi-DLC膜に比べて高くなることがわかった。Si-N-DLC膜の光透過率はSi-DLC膜よりも高く、SiおよびN含有量の増加に伴い光透過率は増加した。またSi-N-DLC膜の電気抵抗率は高く絶縁体であることがわかった。これらの電気・光学的特性の結果はN-DLC膜とは対照的であり、Si-N-DLC膜中に優先的に形成されるSi-N結合によってこれらの結果を説明することができる。
本年度は、第1の目的であるSi-N-DLC膜の機械的特性の向上および第2の目的であるか可視域での透明性の向上や幅広い電気抵抗率の制御に関して成果を上げることができた。以上のことから、研究はおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は、レーザーアブレーション法およびプラズマCVD法によりSi-N-DLC膜を作製し、膜特性を評価する。レーザーアブレーション法は、C原子のsp3とsp2の割合や組成(C、Si、N、H)の制御が比較的容易であり、所望とする化学結合状態・組成のSi-N-DLC膜の作製が可能である。
レーザーアブレーション法を用いてSi-N-DLC膜を網羅的に作製し、化学結合状態・組成と機械的・摩擦摩耗特性、電気・光学的特性との関連性を明らかにし、膜特性を向上させるための基礎的な知見を得る。本手法により、ダイヤモンドに近いsp3結合を多く含む膜が得られると共に、水素の影響を考慮する必要がないため化学結合状態と諸特性との関連性を把握しやすくなる。ターゲットには様々な組成のSiまたは窒化シリコン含有グラファイトターゲットを用いる。N含有量を制御するために成膜中に窒素ガスを導入する。また、成膜中に水素ガスを導入し水素化Si-N-DLC膜を作製し水素の効果を調べる。
レーザーアブレーション法で得られた基礎的な知見を元に、実用的な高周波プラズマCVD法による薄膜作製と特性評価を行う。構造パラメータであるC原子のsp3とsp2の割合およびC、Si、N間での化学結合(C-Si、C-N、Si-N)の割合を変化させるために、作製条件や原料ガスの検討を行い、さらにSi-N-DLCの耐熱性、電気・光学特性を評価する。分子中で化学結合の異なる原料を用いることで、C、Si、N間での化学結合(C-Si、C-N、Si-N)の割合を制御できる可能性がある。Si源およびN源の各種原料を組み合わせて各供給量を制御することで、Si-N-DLC領域内で組成を網羅的に変化させ、Si-N-DLCの機械的特性、摩擦摩耗特性、電気・光学的特性および熱的安定性について調べる。
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Research Products
(5 results)
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[Journal Article] Structural and electrical properties and current-voltage characteristics of nitrogen-doped diamond-like carbon films on Si substrates by plasma-enhanced chemical vapor deposition2016
Author(s)
M. Tsuchiya, K. Murakami, K. Magara, K. Nakamura, H. Ohashi, K. Tokuda, T. Takami, H. Ogasawara, Y. Enta, Y. Suzuki, S. Ando, H. Nakazawa
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Journal Title
Japanese Journal of Applied Physics
Volume: 未定
Pages: 未定
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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