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超硬質窒化炭素薄膜の合成とナノトライボロジー

研究課題

研究課題/領域番号 10355028
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分展開研究
研究分野 材料加工・処理
研究機関名古屋大学

研究代表者

高井 治  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (40110712)

研究分担者 穂積 篤  名古屋工業技術研究所, セラミックス応用部, 研究員
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)
研究期間 (年度) 1998 – 2000
研究課題ステータス 完了 (2000年度)
配分額 *注記
21,100千円 (直接経費: 21,100千円)
2000年度: 2,300千円 (直接経費: 2,300千円)
1999年度: 2,300千円 (直接経費: 2,300千円)
1998年度: 16,500千円 (直接経費: 16,500千円)
キーワード窒化炭素 / 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 / シールド型アークイオンプレーテイング
研究概要

本研究では,我々がシールド型アークイオンプレーティング法を用いて合成に成功したアモルファス窒化炭素(a-C:N)薄膜を,ハードコーティング材料として実用化するための基礎的研究を行った.作製膜について,赤外吸収分光法およびX線光電子分光法によって化学結合状態を,またトライボスコープを用いて作製膜のナノトライボロジー特性を評価し,両者の相関を調査した.
【化学結合状態】成膜パラメータとして,窒素圧力および基板バイアスを変化させた.窒素圧力を増加させると,a-C:N薄膜中の窒素濃度は増加し,N/C原子数比=0.45まで達するが,高い圧力で作製した膜ほど,グラファイトライクおよびピリジンライクな成分で構成される平面的な結合状態となることがわかった.負バイアスの印加は,成長膜表面へのイオン衝撃効果をもたらし,膜中のsp3成分の形成が促進されるが,過剰な負バイアスの印加は,逆にsp^3成分のグラファイト化を促すと同時に,窒素含有率の低下をも引き起こした.圧力が高い条件では,気相中のイオンの平均自由行程が短く,負バイアス印加の効果が減少した.このように,sp混成比率およびN/C原子数比は,窒素ガス圧力および基板に印加する負バイアスによって制御可能であることがわかった.
【機械的特性】基板バイアスおよび窒素圧力をさまざまに変化させてa-C:N成膜を行い,トライボスコープにより超微小硬さを評価した.膜厚は150nm一定とした.その結果,基板バイアスを上げるほど,また圧力を高くするほど硬さが減少した.作製膜の結合状態分析から,過剰な負バイアスの印加は,膜中のカーボンネットワークをsp^2化させること,また窒素圧力の増加は,窒素含有率を高めるものの,C-Nの3次元構造ではなくピリジン的な結合を作りやすくさせることが示された.最も硬いa-C:N膜では,現在広く応用されているハードコーティング材料であるTiNよりも超微小硬度が高かった.また,1μm×1μmの領域を低荷重でスキャンし,その領域をAFM観察する摩耗試験を行ったところ,a-C:N薄膜の耐摩耗特性は,耐摩耗材料としてすでに実用化されているダイヤモンドライクカーボン薄膜よりもはるかに優れていた.このことより,本研究で合成されたa-C:N薄膜は,トライボロジー関連分野で有用な材料であることが明らかとなった.

報告書

(4件)
  • 2000 実績報告書   研究成果報告書概要
  • 1999 実績報告書
  • 1998 実績報告書
  • 研究成果

    (40件)

すべて その他

すべて 文献書誌 (40件)

  • [文献書誌] Y.Taki: "XPS Structural Characterization of Hydrogenerated Amorphous Carbon Thin Films Prepared by Shielded Arc Ion Plating"Thin Solid Films. 316. 45-50 (1998)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
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  • [文献書誌] O.Takai: "Deposition of Carbon Nitride Thin Films by Arc Ion Plating"Thin Solid Films. 316. 380-383 (1998)

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  • [文献書誌] Y.Taki: "Effects of deposition pressure on structure and hardness of amorphous carbon nitride films synthesized by shielded arc ion plating"Thin Solid Films. 334. 165-172 (1998)

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  • [文献書誌] 高井治: "スーパーダイヤモンド"金属プレス. 30. 26-29 (1998)

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  • [文献書誌] N.Tajima: "Wear Resistant Thin Films of Amorphous Carbon Nitride Prepared by Shielded Arc Ion Plating"Jpn.J.Appl.Phys.Lett.. 38. L1131-L1133 (1999)

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  • [文献書誌] 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 (1998)

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  • [文献書誌] N.Tajima: "Tribological properties of a-C:N and a-C films prepared by shielded arc ion plating"Vacuum. 59. 567-573 (2000)

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  • [文献書誌] K.Kawata: "Characterization of Compositionally Graded Ti(C,N) Films Depsoited by Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition"Transaction of the Materials Research Society of Japan. 25. 333-336 (2000)

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  • [文献書誌] 高井治: "DLC"ニューダイヤモンド. 59. 15-20 (2000)

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  • [文献書誌] 杉村博之: "耐摩耗性薄膜のナノインデンテーション"表面技術. 51. 270-275 (2000)

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  • [文献書誌] H.Sugimura: "Field emission properties of amorphous carbon nitride thin films prepared by arc ion plating"Surf.and Coating Technol.. (in press). (2001)

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  • [文献書誌] 高井治: "ナノインデンテーション法による極薄膜の硬さ評価"トライボロジスト. 46(in press). (2001)

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  • [文献書誌] Y.Taki and O.Takai: "XPS Structural Characterization of Hydrogenerated Amorphous Carbon Thin Films Prepared by Shielded Arc Ion Plating"Thin Solid Films. 316. 45-50 (1998)

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  • [文献書誌] O.Takai, Y.Taki and T.Kitagawa: "Deposition of Carbon Nitride Thin Films by Arc Ion Plating"Thin Solid Films. 317. 380-383 (1998)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Y.Taki, N.Tajima and O.Takai: "Effects of deposition pressure on structure and hardness of amorphous carbon nitride films synthesized by shielded arc ion plating"Thin Solid Films. 334. 165-172 (1998)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] O.Takai: "Superdiamond"Metal Press. 30, No.5. 26-29 (1998)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] N.Tajima, H.Saze, H.Sugimura and O.Taka: "Wear Resistant Thin Films of Amorphous Carbon Nitride Prepared by Shielded Arc Ion Plating"Jpn.J.Appl.Phys.Lett.. Vol.38 No.10A. L1131-L1133 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] O.Takai: "CNx Materials and Their Mechanical Properties"Tribologist. Vol.44 No.9. 680-686 (1999)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] N.Tajima, H.Saze, H.Sugimura and O.Takai: "Tribological properties of a-C : N and a-C films prepared by shielded arc ion plating"Vacuum. Vol.59. 567-573 (2000)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K.Kawata, H.Sugimura and O.Takai: "Characterization of Compositionally Graded Ti(C,N) FIlms Depsoited by Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition"Transaction of the Materials Research Society of Japan. Vol.25 No.1. 333-336 (2000)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] O.Takai: "DLC"New Diamond. Vol.59. 15-20 (2000)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Sugimura and O.Takai: "Mechanical Properties of Hard Thin Films Studied by Nanoindentation"J.Surf.Finish.Soc.Japan. Vol.51 No.3. 270-275 (2000)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Sugimura, Y.Sato, N.Tajima and O.Takai: "Field emission properties of amorphous carbon nitride thin films prepared by arc ion plating"Surf.and Coating Technol.. (in press). (2001)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] O.Takai, N.Tajima, H.Saze and H.Sugimura: "Nanoindentation Studies on Amorphous Carbon Nitride Thin Films Prepared by Shielded Arc ion Plating"Surf. and Coating Technol.. (in press). (2001)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] O.Takai: "Hardness Measurements for Ultra Thin Films by Nanoindentation Method"Tribologist. Vol.46, No.6 (in press). (2001)

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      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Hiroyuki Sugimura: "Field emission properties of amorphous carbon nitride thin films prepared by arc ion plating"Surface and Coating Technology. (in press). (2001)

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      2000 実績報告書
  • [文献書誌] Nobuhiro Tajima: "Nanomechanical properties of amorphous carbon and carbon nitride thin films prepared by shielded arc ion plating"Proc.Materials Research Society Symposium. 593. 371-376 (2000)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] Nobuhiro Tajima: "Tribological properties of a-C : N and a-C films prepared by shielded arc ion plating"Vacuum. 59. 567-573 (2000)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] 杉村博之: "耐摩耗性薄膜のナノインデンテーション"表面技術. 51. 270-275 (2000)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] Nobuhiro Tajima: "Tribological properties of a-C:N and a-C films prepared by shielded arc ion plating"Vacuum. (in press). (2000)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 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)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 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)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] Tomohiko Sogo: "Properties of Amorphous Carbon Nitride Thin Films Prepared by Unblanced Magnetron Sputtering"Proc.5th Int,Symp.on Sputtering & Plasma Processes. 229-230 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 高井治: "CN_x材料とその機械的性質"トライボロジスト. 44. 680-686 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] Osamu Takai: "Plazma-enhanced synthesis and characterization of amorphous carbon nitride thin films" Ext.Abst,Int.Conf.Carbon. 344-345 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] Yusuke Taki: "Effects of deposition pressure on structure and hardness of amorphous carbon nitride synthesized by shielded arc ion plating" Thin Solid Films. 334. 165-172 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] Nobuhiro Tajima: "Investigation of plasma for shiclded arc ion plating of amorphous carbon nitride films" Proc.Special Symp.Advanced Materials-4. 260-263 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] Osamu Takai: "Deposition of carbon nitride thin films by arc ion plating" Thin Solid Films. 317. 380-383 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] Yusuke Taki: "XPS structural characterization of hydrogenerated amorphous carbon thin films prepared by shielded arc ion plating" Thin Solid Films. 316. 45-50 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 高井 治: "スーパーダイヤモンド" 金属プレス. 30. 26-29 (1998)

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      1998 実績報告書

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公開日: 1998-04-01   更新日: 2016-04-21  

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