2018 Fiscal Year Annual Research Report
Design on Mechanical and Multi-Physics Properties of Nano-Structured Meta-Interface
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18H05241
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
北村 隆行 京都大学, 工学研究科, 教授 (20169882)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澄川 貴志 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80403989)
嶋田 隆広 京都大学, 工学研究科, 准教授 (20534259)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | ナノ構造 / メタ界面 / 力学 / マルチフィジックス / 設計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H30年度の研究実績は、以下のように纏めることができる。1. 動的斜め蒸着法を用いて基板上にシリコン（Si）らせん型ナノ構造体を作製した。特に非線形弾性特性を示す構造体形状を力学的に検討し、目的とする形状を実現できる蒸着条件を特定した。作製したらせんナノ構造群の中から力学測定用の単体サンプルを取り出すことに成功し、現有の電界放出型走査型電視顕微鏡（FE-SEM）内でその場観察引張り負荷試験を実施した。その結果、Siは脆性材料であるにも関わらず、特定の形状を付与したナノらせん構造とすることで、非線形弾性特性を発現することを実験的に明らかにした。2. ナノ要素が集合したナノ構造メタ界面について、集合体としての変形挙動を特定するためには、界面から集束イオンビームを用いてマイクロサイズの試験体を切り出し、その場観察を行いながら力学実験を行う必要がある。しかし、集束イオンビームを用いた加工では、試験体切断面に加工層が残存し、さらにナノ構造メタ界面のすき間に加工屑が残存することが懸念される。このため、超低エネルギーで試験体切断面の加工層および加工屑を除去できるアルゴンイオンミリング装置を導入した。3. ナノ構造体が発現するマルチフィジックス特性を特定するためにローレンツ電子顕微鏡法に着目し、当該機能を有する透過型電視顕微鏡内でのその場観察力学試験を目的とした負荷装置を新規開発した。4. 分子・原子系解析プログラムをそれぞれナノ構造体用に改良・整備し、それらを統合して計算装置に組み込むことで、マルチスケール力学解析環境を整備した。
これらの研究内容は国外からも高い評価を受け、北村(研究代表者)が変形・破壊に関して世界的に権威のある国際学会“22th European Conference on Fracture”から基調講演(Plenary Talk)を依頼された。
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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
H30年度は、研究計画の上では「整備段階」としての位置づけであり、申請時の具体的内容は、1. メタ界面・設計、および、2. 試験装置の開発、である。申請時の予定に沿って、メタ界面として目的の力学特性を発現可能なナノ構造の設計を行った。また、その構造を実現するために、ナノ構造メタ界面作製手法である動的斜め蒸着法に関して、要素形状の制御に関する詳細な条件検討を行った。電視顕微鏡内で作製したナノ要素に対するその場観察負荷試験を実施し、所望の特性が現れていることを特定した。さらに、マルチフィジックス特性の測定手法としてローレンツ電子顕微鏡法に着目し、その場観察力学試験を目的とした負荷試験装置の新規開発を行った。開発した負荷装置は、導電機構およびヒーター機構を具備しており、電力供給および加熱を行いながらその場観察負荷試験を実施することができる。研究過程において幾つかの問題が発生したが、対策を実施し、研究計画を達成した。研究は順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画に沿って研究を実施する予定である。H31年度の計画は、“要素の力学設計”、“マニピュレーター・微小負荷装置の開発”、および、“ナノ要素単体の力学特性評価”を実行する。研究を遂行する上で問題点が生じた場合には、適宜対策および代替案を模索し、当初の研究目的の達成を目指す。具体的には以下の内容を実施する。
1. 前年度に引き続き、所望の力学特性を発現する要素形状の力学設計を実施する。Si等の脆性材料だけでなく、金属等の延性材料に対象を広げ、高度化した力学設計を試みる。また、寸法をさらに微小化するため（数十nm程度まで縮小を目標）の動的斜め蒸着条件および作製手法について検討を行う。
2. 作製したナノ構造メタ界面から抽出したナノ要素に対して、電視顕微鏡内での負荷が可能な微小負荷装置（実験システム）を開発する。これは前年度開発した負荷装置に関して、特にナノサイズの要素に引張り負荷を与えるためのチャッキング方法について検討を行い、さらに負荷精度を向上させるための改良を実施する。ナノ構造界面からの試験体（ナノ要素）の抽出手法も検討する。
3. 作製したナノ要素単体を開発した力学負荷試験装置に取り付け、その力学特性に関して実験的評価を行う。
4. 次年度実施予定のメタ界面の力学特性評価に関して、試験片作製手法および実験手法について事前検討を実施する。
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