パルスレーザー堆積法による炭窒化ホウ素薄膜の合成とその構造・物性の系統的研究

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本研究では、パルスレーザー堆積(PLD)法により、炭素系薄膜材料である炭窒化ホウ素および窒化炭素薄膜の合成を行い、その構造ならびに物性の系統的な解明を目的に研究を実施した。以下に、本研究の実績について概要を記す。炭窒化ホウ素薄膜(B-C-N)薄膜の合成と評価炭窒化ホウ素薄膜の合成は、ターゲットに窒化ホウ素(h-BN)、グラファイトの2つのターゲットを用い、窒素ラジカル照射下で行った。成膜中のラジカル源作動時の窒素ガス圧を変化させることにょりホウ素(B)、炭素(C)、窒素(N)の組成を連続的に制御した薄膜が得られた。得られた薄膜のX線光電子スペクトルおよび赤外吸収スペクトルによる解析より、薄膜は窒化ホウ素とグラファイトの単なる混合物ではなく、ホウ素(B)、炭素(C)、窒素(N)がそれぞれに結合を有しており、原子オーダーで混合した薄膜であることを明らかにした。また、炭化ホウ素(B_4C)をターゲットとして用い、窒素ラジカルビーム照射下での炭窒化ホウ素薄膜の合成も試み、同様にホウ素(B)、炭素(C)、窒素(N)がそれぞれに結合を有しており、原子オーダーで混合した薄膜を得ることができた。窒化炭素(CN_x)薄膜の合成と評価パルスレーザー堆積法による窒化炭素薄膜の合成はターゲット材料としてグラファイトを用い、窒素ガス雰囲気下あるいは窒素ラジカルビーム照射下で行った。成膜時の窒素ガス圧、および、ラジカル源作動条件を変えることに、より窒素含有量の異なる薄膜を得ることができた。薄膜構造の詳細な検討より、薄膜中の窒素原子の結合様式は主に窒素含有量に依存しており、窒素含有量の低い薄膜においては薄膜中の窒素原子はグラファイトの炭素に置換して存在することを明らかにした。また、薄膜中の窒素含有量の異なる薄膜を作製することにより薄膜の硬度、内部応力、電気伝導度、光学的バンドギャップが連続的に変化することを見出し、薄膜構造と物性との相関を明らかにした。