シリコンおよび窒素を添加したダイヤモンドライクカーボンの新規機能の発現と高機能化

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K06432
• 研究機関: 弘前大学
• 研究代表者: 中澤 日出樹 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (90344613)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: カーボン材料 / プラズマ化学気相成長法 / レーザーアブレーション法

研究実績の概要

本研究では、従来のダイヤモンドライクカーボン（DLC）膜に比べて機械的特性、摩擦摩耗特性、熱的安定性、光学的特性および電気的特性が向上するシリコン（Si）および窒素（N）を共添加したDLC（Si-N-DLC）膜に関する研究開発を行った。また、膜特性と組成・化学結合状態・構造との相関関係を詳細に調べることで、Si-N-DLC膜がもつ機能を最大限に発現させるための知見を得ることを目的とした。
窒素ガスおよびSi添加グラファイトターゲットを用いたレーザーアブレーション法により作製したSi-N-DLC膜を評価した結果、以下のことが明らかになった。Si-N-DLC膜は無添加DLC膜およびSi添加DLC（Si-DLC）膜に比べて付着力が大きく、付着力が最大になるN含有量が存在する。また、Si-N-DLC膜の摩擦係数は無添加DLCに比べて小さくなる。
N源およびSi源としてそれぞれ窒素ガスおよび有機ケイ素を用いたプラズマCVD法により作製したSi-N-DLC膜を評価した結果、以下のことが明らかになった。Si-N-DLC膜のsp3結合はN添加DLC（N-DLC）膜と比べて大きく、Si添加によって膜中の化学結合状態の制御が可能である。Si-N-DLC膜の内部応力はSi-DLC膜およびN-DLC膜と比べて小さくなり、N含有量の増加と共に減少する。Si-N-DLC膜の光学バンドギャップはSi-DLC膜およびN-DLC膜と比べて大きくなり、N含有量の増加と共に増加する。真空中で適切な温度で加熱したSi-N-DLC/p型Siヘテロ接合の整流比はN-DLC/p-Siヘテロ接合と比べて大きくなり、優れた電流電圧特性を示す。Si-N-DLC膜の加熱温度を変化させた場合、490℃まで膜構造の変化はほとんどなく加熱温度の増加と共に非晶質炭素ネットワークの水素終端が促進される。

研究成果

• [雑誌論文] Impacts of substrate bias and dilution gas on the properties of Si-incorporated diamond-like carbon films by plasma deposition using organosilane as a Si source (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Nakazawa, S. Miura, K. Nakamura, Y. Nara
  • 雑誌名: Tnin Solid Films 巻: 654 ページ: 38～48
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.03.075
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of source gases on the properties of silicon/nitrogen-incorporated diamond-like carbon films prepared by plasma-enhanced chemical vapor deposition (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nakazawa, K. Magara, T. Takami, H. Ogasawara, Y. Enta, Y. Suzuki
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 636 ページ: 177～182
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.05.046
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of boron/nitrogen- incorporated diamond-like carbon films by pulsed laser deposition using nitrogen gas and a boron-containing graphite target (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nakazawa, R. Osozawa, Y. Mohnai, Y. Nara
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 ページ: 105501-1～7
  • DOI: https://doi.org/10.7567/JJAP.56.105501
  • 査読あり
• [学会発表] Preparation and characterization of nitrogen/silicon-incorporated diamond-like carbon films (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Nakazawa, K. Nakamura, H. Ohashi, T. Yokoyama, K. Tajima, N. Endo, M. Suemitsu, Y. Enta, Y. Kobayashi, Y. Suzuki
  • 学会等名: Collaborative Conference on Materials Research 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effects of nitrogen doping on the chemical bonding states and properties of silicon-doped diamond-like carbon films (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Nakamura, H. Ohashi, T. Yokoyama, K. Tajima, N. Endo, M. Suemitsu, Y. Enta, Y. Kobayashi, H. Nakazawa
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science
  • 国際学会