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アモルファス窒化炭素における光誘起変形現象の解明

Research Project

Project/Area Number 18H01715
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
Research InstitutionKagoshima University

Principal Investigator

青野 祐美  鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (80531988)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 北沢 信章  防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), 電気情報学群, 教授 (60272697)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2019: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2018: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Keywordsアモルファス窒化炭素 / 光誘起変形 / エネルギー変換 / 薄膜 / 光エネルギー変換 / 光駆動デバイス
Outline of Annual Research Achievements

アモルファス窒化炭素薄膜は、可視光の照射中のみ体積が変化する光誘起変形材料の一種である。光エネルギーを直接力学的エネルギーに変換できる光誘起変形材料は、光駆動デバイス応用に欠かせない。しかしながら、アモルファス窒化炭素薄膜の光誘起変形量はまだ僅かであり、その機構も不明である。そこで本研究では、アモルファス窒化炭素薄膜の光誘起変形機構を化学結合状態の観点から解明することを目的としている。
一昨年、昨年とアモルファス窒化炭素薄膜における炭素ー炭素結合に特に注目し、可視光の相互作用について実験を行ってきた。本年度は、炭素ー窒素結合に着目し、高周波マグネトロンスパッタ法で作製したアモルファス窒化炭素薄膜の化学結合状態解析を行った。用いた手法は、ラマン散乱分光法、X線光電子分光法、赤外吸収分光法、軟X線発光分光法(SXES)など各種分光法である。また、放射光施設においてX線吸収端微細構造解析も行った。
SXES測定では、薄膜表面のSXESマッピング測定を行い、得られたスペクトルから炭素のsp2/sp3結合比および組成比N/Cの面内分布を明らかにした。その結果、アモルファス窒化炭素薄膜における局所的なsp2/sp3結合比の偏りは、高い温度で作製した試料において、小さくなる傾向が見られた。また、均一性が高くなるに従い、光誘起変形量は小さくなる傾向が見られた。
次に、二次元的なsp2ネットワークが光誘起変形量に与える影響を調べるため、グラファイト、アモルファス炭素、アモルファス窒化炭素薄膜の3つのSXESスペクトルの形状を比較し、グラファイトと薄膜のスペクトル形状の一致率(グラファイト立)を算出した。その結果、同じ温度で作製した場合、アモルファス窒化炭素薄膜に比べ、アモルファス炭素薄膜の方がグラファイトに近いスペクトル形状をしていることがわかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

試料作製に用いていたスパッタ装置の不具合が度々発生し、試料作製は計画通り進まなかったが、すでに作製していた試料を用いて、化学結合状態の解析を計画通り進めることができたことから、研究計画自体はおおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

最終年度となる次年度では、次のような方針で研究を行い、成果をまとめ、学会や学術誌上で公表する。
1. 光誘起変形はアモルファス炭素ネットワークのみでも生じるが、窒素が添加されることで増大する。その理由としてグラファイトクラスタサイズの縮小やsp3結合の割合が増すことが挙げられる。しかしながら、アモルファス窒化炭素薄膜作製において、組成比とsp2/sp3結合比を独立に制御することは難しい。そこで既存の装置とは異なるスパッタ方式の装置を導入し、アモルファス窒化炭素薄膜の作製を試みる。
2. 作製した試料の化学結合状態を分光学的手法を用いて評価する。
3. 光てこ法を用いた光誘起変形量測定を行うための測定系を改良する。具体的には、これまで1次元位置検出器を用いて試料の変形量を計測していたものを、2次元位置検出器に替え、精度の向上を図る。
4. 光誘起変形量の測定を行い、光誘起変形量と化学結合状態との関係をより詳細に分析を行い、変形量増大の指針を得る。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(10 results)

All 2020 2019 2018

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (6 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Photoinduced deformation of a-C thin films prepared by RF magnetron sputtering2020

    • Author(s)
      Masami Aono, Hisashi Miyazaki, Nobuaki Kitazawa, Yohei Sato, Masami Terauchi
    • Journal Title

      Diamond and Related Materials

      Volume: 108

    • DOI

      10.1016/j.diamond.2020.107844

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Analysis of Chemical Bonding Structure on Amorphous Carbon Nitride Thin Films under Visible Light Illumination Using Synchrotron Radiation Infrared Rays2020

    • Author(s)
      青野祐美, 岸村浩明
    • Journal Title

      SPring-8/SACLA Research Report

      Volume: 8 Issue: 2 Pages: 329-332

    • DOI

      10.18957/rr.8.2.329

    • NAID

      130007969797

    • ISSN
      2187-6886
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 可視光ー運動エネルギー変換脳を有するアモルファス窒化炭素薄膜2019

    • Author(s)
      青野祐美, 原田人萌, 寺内正己
    • Journal Title

      NEW DIAMOND

      Volume: 133 Pages: 30-33

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Journal Article] Non-uniform Excitation States in Photoinduced Deformation of Amorphous Carbon Nitride Films2018

    • Author(s)
      Aono Masami、Harata Tomo、Kitazawa Nobuaki、Abe Hiroshi、Ishii Shingo、Sato Yohei、Terauchi Masami
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 8 Pages: 1-7

    • DOI

      10.1038/s41598-018-33364-4

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] アモルファス炭素薄膜の光誘起変形に及ぼす窒素添加効果2020

    • Author(s)
      青野祐美
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] スパッタ法で作製したアモルファス炭素薄膜およびアモルファス窒化炭素薄膜の熱膨張係数評価2020

    • Author(s)
      青野祐美, 宮﨑尚, 春日貴章, 能木雅也
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] アモルファス炭素(a-C)薄膜の光誘起変形2019

    • Author(s)
      青野祐美, 鈴木健太, 北沢 信章, 佐藤 庸平,寺内 正己
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 可逆性光誘起変形を示すアモルファス窒化炭素薄膜の発見2019

    • Author(s)
      青野祐美
    • Organizer
      第3回次世代スマート・マテリアルの創製と応用展開に関する研究会講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 軟X線発光分光および高輝度赤外分光を用いたアモルファス窒化炭素薄膜の化学結合状態評価2019

    • Author(s)
      青野祐美, 岸村浩明, 石井信伍, 佐藤庸平, 寺内正己
    • Organizer
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] アモルファス窒化炭素薄膜の光誘起変形における光熱効果の影響2018

    • Author(s)
      青野祐美, 原田人萌, 北沢信章
    • Organizer
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

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