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

利用等离子体工艺开发碳氮合金化超硬材料

• 批准号: 09243220
• 负责人: 高井 治
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 1997
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1997 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-09243220/
• 关键词: アロイング; プラズマプロセス; 窒化炭素; 超硬質材料; シールド型アークイオンプレーティング; 機械的特性; 熱的特性; 化学結合状態

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.

The preparation, structure, chemical bonding state, mechanical, electrical, optical properties, basic properties, and application possibilities of new ultra-high hardness materials and optical materials for carbon a-C:N films are discussed. The high activity of the reaction medium and the high activity of the reaction medium are used for the preparation of a-C:N films. Film forming element pressure, substrate voltage change, physical properties of the impact of investigation. In addition to the above, there is no need to add any additional information to the list. For the evaluation of film properties, X-ray photoelectron spectrometer, infrared absorption spectrometer, transmission electron microscope, atomic force microscope, ultra-micro hardness tester are used. The N/C atomic ratio in the film is 0.13 ~ 0.51. The hardness of a-C:N films increases to a maximum of about 2 times that of the substrate (hardness conversion is about 2800) near 300V, and the thermal stability of DLC films is excellent. The high hardness shows that the a-C:N film has a three-dimensional structure containing β-C_3N_4, and the electron line is folded back. Hardness increases, sp3 component increases,β-C_3N_4 microcrystals form. The hardness of a-C:N thin films increases gradually with the addition of additives. The maximum hardness is about 4 times that of a-C substrate, and the hardness conversion is about 5600. The hardness of a-C:N is 5000. The hardness of a-C:N is 5000. The hardness of ultra-hard film is 5000. This study is aimed at a-C:N film, cutting tools, gold type, magnetic field, materials and industrial applications.

项目成果

Yusuke Taki: "Amorphous Carbon Nitride Hard Coatings by Multistep Shielded Arc Ion Plating" Jpn.J.Appl.Phys.36. 4901-4906 (1997)

Yusuke Taki：“多步屏蔽电弧离子镀非晶氮化碳硬质涂层”Jpn.J.Appl.Phys.36。

Yusuke Taki: "Preparation of Diamond-Like Carbon Thin Films by Shielded Arc Ion Plating" J.Materi.Sci.Lett.16. 553-556 (1997)

Yusuke Taki：“通过屏蔽电弧离子镀制备类金刚石碳薄膜”J.Materi.Sci.Lett.16。

Osamu Takai: "Deposition of Carbon Nitride Thin Films by Arc Ion Plating" Thin Solid Films. (in press). (1998)

Osamu Takai：“通过电弧离子镀沉积氮化碳薄膜”固体薄膜。

Yusuke Taki: "Effects of Deposition Pressure on Structure and Hardness of Amorphous Carbon Nitride Films Synthesized by Shielded Arc Ion Plating" Thin Solid Films. (in press). (1998)

Yusuke Taki：“沉积压力对屏蔽电弧离子镀合成的非晶碳氮化物薄膜的结构和硬度的影响”固体薄膜。

Yusuke Taki: "Shielded Arc Ion Plating and Structural Characterization of Amorphous Carbonn Nitride Thin Films" Thin Solid Films. 304. 183-190 (1997)

Yusuke Taki：“非晶氮化碳薄膜的屏蔽电弧离子镀和结构表征”固体薄膜。