| 研究課題/領域番号 |
26220901
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
箕島 弘二 大阪大学, 工学研究科, 教授 (50174107)
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| 研究分担者 |
平方 寛之 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40362454)
近藤 俊之 大阪大学, 工学研究科, 助教 (70735042)
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| 研究期間 (年度) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| キーワード | 材料強度学 / 破壊 / 疲労 / クリープ / 金属薄膜 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，金属ナノ薄膜の変形・破壊に及ぼす表面酸化層と変形・破壊を生じる時の新生面の酸化・酸化層の影響を明らかにし，これにより純粋な表面効果を分離・抽出することにより，ナノ薄膜の機械的特性・強度に及ぼす寸法（膜厚）効果の本質を解明することを目的とする。本年度の研究実績は以下のとおりである。
1. ナノ薄膜の破壊じん性に及ぼす酸化層厚さの影響: 酸化層を除去した試験片と酸化層厚さを自在に制御した厚さ約500 nmのCuナノ薄膜試験片を用いて，破壊じん性に及ぼす酸化層厚さの影響を検討した。
2. ナノ薄膜の疲労き裂発生・進展に及ぼす酸化層・酸化の影響: 厚さ約500 nmのCuナノ薄膜の疲労き裂進展特性と進展機構に及ぼす新生面酸化の影響を，き裂開閉口ならびに環境変動（真空/大気）試験におけるき裂進展速度と疲労損傷形態の変化を基に検討した。併せて，酸化層厚さを制御した試験片を用いて，疲労き裂発生・進展特性に及ぼす表面酸化層の影響に関する実験に着手した。
3. ナノ薄膜のクリープ特性に及ぼす酸化層・酸化の影響: Au薄膜のその場FESEM観察/EBSD解析クリープき裂進展試験を実施して，結晶粒組織およびボイド発生・成長・合体などの損傷成長の時間変化と対応づけて進展機構を検討した。併せてCuナノ薄膜のその場FESEM観察クリープき裂進展試験を実施して，クリープき裂進展特性と進展機構に及ぼす酸化層厚さの影響を検討した。
4. 10 nmオーダー厚の自立超ナノ薄膜の破壊じん性，疲労特性: 膜厚が39 nmの自立Cu超ナノ薄膜の破壊じん性試験の応力解析を実施して，39 nm から2600 nmの膜厚範囲における破壊じん性に及ぼす膜厚の影響を明らかにした。さらに，超ナノ薄膜自立化法を基にした超ナノ薄膜疲労・クリープ用微小試験片の作製方法と引張負荷方法を確立して，自立超ナノ薄膜の疲労試験を開始した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
装置・技術開発については，FESEMにデコンタミネータを取り付けることにより，その場FESEM観察/EBSD解析力学試験時の電子線照射による汚染を抑制して，詳細かつ高精度なその場ナノ観察・解析を可能とした。
ナノ薄膜の強度特性評価については，膜厚約500 nmのCuナノ薄膜の酸化層を種々の厚さに制御した条件および酸化層を除去した条件で破壊じん性試験を実施して，破壊じん性に及ぼす表面酸化層厚さの影響を検討した（H29年度交付申請書当初計画(2)）。疲労特性評価については，厚さ約500 nmのCuナノ薄膜の疲労き裂進展特性と進展機構に及ぼす新生面酸化の影響をき裂開閉口および環境変動（真空/大気）試験におけるき裂進展速度と疲労損傷形態の変化を基に検討した。併せて，厚さ約100 nmのCu薄膜の疲労き裂進展特性を検討して，疲労き裂進展と進展機構に及ぼす膜厚の影響を明らかにした（H29年度交付申請書当初計画(1)）。クリープ特性については，Auナノ薄膜のその場FESEM観察/EBSD解析クリープき裂進展試験を実施して，き裂進展機構に及ぼす膜厚効果を考察した。また，酸化層を制御した膜厚約400 nmのCuナノ薄膜のその場FESEM観察クリープき裂進展試験を実施して，クリープき裂進展特性と進展機構に及ぼす酸化層の影響を検討した（H29年度交付申請書当初計画(3)）。
超ナノ薄膜の特性評価については，超ナノ薄膜を含めた広い膜厚範囲における破壊じん性に及ぼす膜厚効果を明らかにした。さらに，超ナノ薄膜自立化法を基に，超ナノ薄膜疲労・クリープ用微小試験片の作製および試験機への試験片固定方法を確立したうえで，超ナノ薄膜の疲労・クリープ試験方法を開発して，今年度は疲労特性評価に着手した（H29年度交付申請書当初計画(4)）。
以上の観点から，本研究は計画通りおおむね順調に進展していると結論できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
1. ナノ薄膜の破壊じん性に及ぼす酸化層の影響: H29年度に引き続き，自立Cuナノ薄膜の破壊じん性に及ぼす酸化層の影響を解明する。併せて，円孔基板支持自立Cu超ナノ薄膜試験片を用いて破壊じん性に及ぼす酸化層の影響を明らかにして，破壊じん性の膜厚効果に及ぼす表面酸化層の影響を広い膜厚範囲で解明する。
2. ナノ薄膜の疲労き裂発生・進展特性に及ぼす酸化層・酸化の影響: H29年度に引き続き，自立Cuナノ薄膜の疲労き裂進展に及ぼす表面酸化層・酸化の影響をき裂開閉口の観点および環境変動（真空/大気）試験において，環境を変化させたときのき裂進展速度と進展機構の変化から解明する。併せて，単結晶および多結晶Cu薄膜の疲労き裂発生に及ぼす酸化層の影響を検討する。
3. ナノ薄膜のクリープ特性に及ぼす酸化層・酸化の影響: Au薄膜とCuナノ薄膜に加えて，Au薄膜と微視組織や結晶配向が類似しているAlナノ薄膜を対象として，表面酸化層を制御した薄膜のクリープき裂進展のその場FESEM観察/EBSD解析を実施し，これらの結果を統合してクリープき裂進展特性と進展機構に及ぼす酸化層の影響を解明する。
4. 10 nmオーダー厚の自立超ナノ薄膜の疲労，クリープ特性解明: 自立超ナノ薄膜から作製した微小試験片を用いて，疲労およびクリープ試験を実施して，超ナノ薄膜の疲労，クリープ特性を解明する。
5. 成果統合・将来展望: ナノ薄膜と超ナノ薄膜の変形・破壊機構，強度の膜厚依存性に及ぼす表面酸化層・酸化の影響について総合的に検討し，知見を統合することにより，実デバイスの強度・信頼性評価に適用するための基礎的検討を行う。
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