イオンプロセスによる高靱性新炭素系物質-窒素含有炭素膜の創出とレオロジー

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ダイヤモンド様炭素(DLC)膜中の一部炭素を窒素に置換すると、本来赤外不活性なC-C結合の対称性が崩れ、赤外活性格子振動が発生する。このような振動を有する構造からなる炭素を窒素含有炭素と呼ぶ。本研究では、窒素含有炭素膜の微小ビッカース硬さとクリープ特性を評価し、含有窒素の役割をモデル化した。電子サイクロトロン共鳴プラズマ化学気相析出法を用いてCH_4+N_2ガスより窒素含有炭素膜を作製した。膜の微小硬さと押込みクリープ特性を超微小押込み硬さ計を用いて測定した。赤外線吸収スペクトルの結果より、8%程度の窒素含有で窒素が炭素を終端している水素にかわり炭素を終端することがわかった。また膜の炭素骨格構造の内部にも窒素が置換固溶することもわかった。機械特性評価より、窒素含有の有無で膜の押込み硬さやヤング率は大きく変わることはないことがわかった。それに対して、押込みクリープ挙動に窒素含有の有無の差が明瞭に現れた。押込みクリープ時の応力σと歪速度εの関係は次式で表すことができる。σ=kε^mここでkは粘度に対応し、mは歪速度敏感定数である。クリープ試験の結果から得られたm値は窒素含有により大きくなり、窒素含有が構造の流動を促進することがわかった。以上の結果を総合的に判断し、窒素はDLC膜構造中に含有されると水素終端に比較し少ない組成でより多くの炭素を終端してしまうため、水素のみが含まれているDLCよりも構造の流動性を顕著にするというモデルを提案した。なお、結果の詳細についてはホームページhttp://hts.chem.nagaokaut.ac.jpで公開している。