超短パルスレーザ照射によるジルコニア表面へのマイクロ・ナノ構造形成

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微細な表面構造は濡れ性や生体親和性など様々な表面機能を向上させ、材料に高付加価値を付与する手法の一つである。本研究では、相変態や表面欠陥の発生を抑制した、表面微細構造加工によるジルコニアの高機能化を目指している。ジルコニアは硬脆材料であるため、非接触加工で局所的に材料を除去可能な超短パルスレーザによる微細加工法が有効であり、レーザ光と材料の相互作用を考慮した加工原理をもとに微細構造を形成する必要がある。本年度は、超短パルスレーザに対するジルコニアの微細加工特性解明を目的として、マイクロ・ナノ構造の加工法確立と加工現象の解明を行った。また、微細加工中の加工面下の相変態現象を調査するため、実験および数値解析を用いた単斜晶の定量的解析を行った。まず極めて限定的なエネルギー範囲で生じる、入射光と表層粒子の相互作用を調査することで、ビーム径に依存しない新たなナノ構造体の形成を行った。ジルコニアは多結晶体材料であり、レーザ光が材料内部へ進入した際、結晶粒界などによる加工特性への影響が無視できない。そのため、異なるドーパント濃度を有する試料や単結晶試料を用いることで、レーザ光および材料の両視点から詳細な加工メカニズム調査を試み、エネルギー吸収など構造のスケールによる加工特性の違いを明らかにした。また、異なる加工雰囲気で照射を行い、レーザ光の入射挙動やプラズマの拡散状態を変化させることで、相変態の発生有無やその変化量を評価した。適切な照射条件を選定することで単斜晶の増加を抑制できることが明らかになり、材料強度試験でも加工面強度の維持が確認された。