高エネルギー多原子イオンビーム照射による超硬度被膜形成の研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10450119
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 高岡 義寛 京都大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (90135525)
• 研究分担者: 松尾 二郎 京都大学, 大学院・工学研究科, 助手 (40263123) ; 山田 公 京都大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00026048)
• キーワード: フラーレン / クラスター / イオンビーム / 炭素薄膜 / 多体衝突効果 / 高密度照射効果

研究概要

多原子イオンビームは、原子や分子と異なり塊状の原子集団(クラスター)のイオンビームであるため、固体表面に照射・衝突させた場合、原子状、分子状イオンビームでは得られない特異な効果、すなわち多体衝突効果・高密度照射効果が顕著である。
本研究では、高エネルギー加速した多原子イオンビームを照射することにより、照射時の超高温加熱作用、超高圧効果によって超硬材料の低温形成を行った。具体的には、炭素原子の多原子集合体(フラーレン:C_<60>)を蒸着しながらArの多原子ビーム(クラスタービ-ム)をイオン化・加速して固体表面に室温で照射し、炭素薄膜を形成した。その結果、従来のダイヤモンドライク薄膜や金属薄膜と比べて、ビッカース硬度が極めて大きな超硬度炭素薄膜の形成に成功した。また、作製した硬質炭素薄膜は、耐食性、耐傷性、耐摩擦、耐摩耗性にも優れた特性を示す超安定な薄膜であることが分かった。さらに、高品位薄膜形成には、蒸着時に水分等の残留ガスを少なくした高真空状態が必要であることを明らかにした。
多原子イオンビームと固体表面との相互作用については、分子動力学法による計算機シミュレーションを行い、クラスターイオン照射特有の多体衝突効果や高密度照射効果を得るためには、クラスターのサイズ、加速エネルギー、速度が重要なパラメーターであり、これらの値を最適化することによって従来の炭素薄膜より硬質な炭素薄膜形成が可能になることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] I.Yamada: "Surface Processing with Ionized Cluster Beams: Computer Simulation"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. Vol.153. 199-208 (1999)
• [文献書誌] J.Matsuo,I.Yamada: "Optical Thin Film Formation by Gas Cluster Ion Beam Assisted Deposition"Applications of Accelerators in Research and Industry. 409-412 (1999)
• [文献書誌] J.Matsuo,I.Yamada: "Oxide Film Deposition by Gas-Cluster Ion Assisted Deposition"Applications of Accelerators in Research and Industry. 425 (1999)
• [文献書誌] J.Matsuo,I.Yamada: "Cluster Size Dependence of the Impact Process on a Carbon Substrate"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. Vol.153. 264-269 (1999)
• [文献書誌] J.Matsuo,I.Yamada: "Formation of Oxide Thin Films for Optical Applications by O_2 Cluster Ion Beam Assisted Deposition"Proceedings of the 12th International Conference on Ion Implantation Technology-IIT98. 1195-1198 (1999)
• [文献書誌] J.Matsuo,I.Yamada: "Fullerene Ion (C60^^+) Implantation in GaAs (100) Substrate"Proceedings of the 12th International Conference on Ion Implantation Technology-IIT98. 1203-1206 (1999)