プラズマプロセスを用いた炭素-窒素アロイングによる超硬質材料の開発

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3種のsp混成の分子・微結晶レベルでの「合金」であると考えることができるアモルファスカーボンに,さらに窒素を「合金元素」として加えたアモルファス窒化炭素a-C:Nの薄膜を作製し,構造,化学結合状態,機械的・電気的・光学的特性など基本的性質を明らかにするとともに,新しい超高硬度材料,光学材料としての応用の可能性を検討した.反応活性度の高いシールド型アークイオンプレーティング法により,グラファイトと窒素を原料としてa-C:N薄膜を作製した.成膜中窒素圧力,基板バイアス電圧を変化させ,物性への影響を調査した.また,反応ガス中にアルゴンを添加し,アルゴンイオンによるイオン衝撃効果についても検討した.作製膜の物性評価には,X線光電子分光装置,赤外吸収分光装置,ラマン分光装置,透過型電子顕微鏡,原子間力顕微鏡,ダイナミック超微小硬度計を用いた.作製膜中のN/C原子数比は,0.13〜0.51の範囲で制御できた.-300V付近の適切な負バイアス印加によりa-C:N薄膜の硬度は上昇し,最大でシリコン基板の約2倍(ヌープ硬度換算で約2800)となった.a-C:N薄膜は,ダイヤモンドライクカーボン(DLC)の構造に類似しているが,DLCより熱的安定性に優れていた.高硬度を示したa-C:N膜中には,カーボンネットワーク中にC-Nの3次元構造が含まれ,微結晶のβ-C_3N_4が生成していることが,電子線回折により明らかとなった.硬度の上昇は,カーボンのsp3成分の増加と,β-C_3N_4微結晶の生成によっていると考えられる.反応ガス中へのアルゴンガス添加により,a-C:N薄膜の硬度はさらに上昇し,最大でシリコン基板の約4倍,ヌープ硬度換算で約5600を得た.このことから,a-C:Nがヌープ硬度5000を越える超硬質膜となることが判明した。本研究によりa-C:N膜が,切削工具,金型,磁気ヘッド,ハードディスクなどへのスーパーハードコーティング材料として工業的に応用が可能であることが示された.