基板方位と異なる面方位に単結晶薄膜が成長するメカニズムの解明

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04545
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 土井 俊哉 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (30315395)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 一瀬 中 一般財団法人電力中央研究所, 電力技術研究所, 上席研究員 (70371284)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 結晶育成・成長 / エピタキシャル成長 / 鉄基板

Outline of Annual Research Achievements

Fe単結晶を(100)、(110)、(111)などの様々な結晶面で切り出した基板上に、カルシア含有量を変えることで格子定数を変化させたCSZ薄膜を成長させ、それら試料の結晶方位、歪状態、微細構造を詳細に調べることで、不整合ヘテロエピタキシャルの成長メカニズムを解明することを目的に研究を行っている。本年度は{110}<001>集合組織を有する4％Si-Fe合金を基板として、その上に様々な条件でカルシア安定化ジルコニア（CSZ)をパルスレーザー蒸着法によって成膜した。(111)結晶と(001)結晶の核生成量の割合変化および横方向への結晶成長方位に対して、膜組成および成膜温度が及ぼす影響を詳細に調べた。膜組成については、Ca:Zr(原子比）=21：79、および25：75のターゲットを用いて異なる組成のCSZ薄膜を成長させた。また、基板温度については630～800℃の範囲で変化させて成長実験を行った。
これまでの結果と同様に、不整合ヘテロエピタキシャル成長薄膜中には、
(110)Fe//(111)CSZかつ[010]Fe//[112]CSZの方位関係を持って成長した(111)結晶と
(110)Fe//(100)CSZかつ[001]Fe//[011]CSZの方位関係を持って成長した(001)結晶の
2種類のCSZ結晶が存在していた。CSZ膜組成による(111)結晶と(001)結晶の核生成割合に違いは存在しないことを明らかにした。また、成膜温度が異なっても核生成割合および横方向への結晶成長速度比に違いは無かった。また成膜温度が低い場合には、CSZ薄膜の結晶性が低くなることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

年度前半においては、{110}<001>集合組織を有する4％Si-Fe合金基板上に作製したCSZ薄膜が剥離する問題が頻発し、進捗状況が思わしくなかったが、基板前処理と成膜雰囲気を様々に変化させて成膜実験を繰り返すことで、何とか剥離せずにCSZ薄膜が作製できる条件を発見することができた。それ以後は、概ね順調に研究は進展している。

Strategy for Future Research Activity

今後は、当初の計画に従って、更にCSZ組成を大きく変化させることで格子定数を変えたCSZ薄膜を作製するとともに、Fe単結晶基板の合金組成を変化させることで、基板とCSZ薄膜間の格子定数差を系統的に変化させて実験データの蓄積を図りたい。また、異なる結晶方位面を持つ基板上への成膜時実験も進める。