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: 11124222
• 负责人: 高井 治
• 金额: $ 1.22万
• 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 (A)
• 财政年份: 1998
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1998 至 2000
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11124222/
• 关键词: 窒化炭素; アークプラズマ; アモルファス; 超硬質材料; シールド型アークイオンプレーティング; ナノインデンテーション; 摺動特性; 化学結合状態

本研究では,反応活性度の高いアークイオンプレーティング法を用いてa-C:N薄膜を作製し,構造および化学結合状態を明らかにすることによって,炭素と窒素の「アロイング」に関する基礎的知見を得るとともに,作製膜の機械的・光学的・電気的特性を評価し,新しい超高硬度材料,光学材料,また電子材料への応用の可能性を検討することを目的とした.トライボスコープを用い,アモルファス窒化炭素(a-C:N)薄膜の硬度および摩耗特性の評価を行った.さらに,電界放射特性評価を行った.なお,同じ成膜手法を用いてアルゴン含有アモルファス炭素(a-C:Ar)薄膜を作製し,特性の比較を行った.【化学結合状態】sp混成比率およびN/C原子数比は,基板に印加するバイアスによって制御できた.しかし,これらの事象は独立でなく,過剰の負バイアス値によってsp^3混成成分の減少と窒素含有率の低下が同時に起こる.結晶性β-C_3N_4を多結晶状態で合成するには,sp^3結合と高い窒素含有率を同時に実現させなければならないため,今後,結合状態と窒素含有率を独立に制御するプロセス・作製条件を見出す必要がある.【機械的特性】トライボスコープによるナノレベルでの摩耗試験の結果,a-C:N膜がa-C:Ar膜よりはるかに優れた耐摩耗性を有することがわかった.特に,基板バイアス-300Vで作製したa-C:N膜は耐摩耗性が最も高く,今回の試験方法(荷重20μN,30回繰り返し)では摩耗が検出できないほどであった.a-C:N膜の優れた耐摩耗性には,C-N化学結合状態,特に窒素のβ-C_3N_4的結合成分が重要な役割を果していると考えられる.【電界放射特性】a-C:N膜は,約10V/μmという低いしきい値電界で電界放射現象を起こし,a-C:N膜の電界放射デバイスとしての応用の可能性が明らかとなった.

This study で は, anti 応 activated degree high の い ア ー ク イ オ ン プ レ ー テ ィ ン を グ method with い て a - C: N thin film system し を, tectonic お よ び chemical combination state を Ming ら か に す る こ と に よ っ て, carbon と smothering element の "ア ロ イ ン グ" に masato す る foundation of knowledge を る と と も に, make the membrane の mechanical, optical, and electrical characteristics of 気 を review 価 し , new し い ultra-high hardness materials, optical materials, ま た electronic materials へ の 応 possibility with の を beg す 検 る こ と を purpose と し た. ト ラ イ ボ ス コ ー プ を い, ア モ ル フ ァ ス smothering the の carbon (a - C: N) film hardness お よ び friction consumption characteristics の review 価 を line っ た. さ ら に, electricity industry emission characteristic evaluation 価 を line っ た. な お, with じ film-forming technique を With い て ア ル ゴ ン contains ア モ ル フ ァ ス carbon (Ar) is a - C: film を as し, feature line の is を っ た. Sp blending ratio of chemical combination state 】 【 お よ び は atomic number N/C ratio, substrate に Inca す る バ イ ア ス に よ っ て suppression で き た. し か し, こ れ ら の things like は independent で な く, a turning negative バ の イ ア ス numerical に よ っ て s The mixed components of p^3 <s:1> decrease, the content rate of と nitrine <e:1> is low が, and at the same time, に begins to <s:1> る. Crystalline beta C_3N_4 を more crystalline state で す synthesis る に は, sp ^ 3 combined with high と い smothering element contains rate を に at the same time be presently さ せ な け れ ば な ら な い た め, in the future, combined with state と を smothering element contains rate independent に suppression す る プ ロ セ ス を, cropping conditions show the necessary が す あ る. Mechanical features 】 【 ト ラ イ ボ ス コ ー プ に よ る ナ ノ レ ベ ル で の friction loss test の as a result, a - C: N membrane が a - C: Ar membrane よ り は る か に optimal れ た friction loss resistance を have す る こ と が わ か っ た. に, substrate バ イ ア ス - 300 - v で cropping し た a - C: N membrane は high resistance to friction consumption が most も く, today back to の test method (load 20 mu N, 30 back Qiao り return し) で は "consumption が 検 out で き な い ほ ど で あ っ た. A - C: N membrane の optimal れ た friction loss resistance に は, C - N chemical combination condition, especially に smothering の beta C_3N_4 combination Important な "を cut fruit ingredient が し て い る と exam え ら れ る. 【 electricity industry radiation characteristics 】 a - C: N film は, about 10 v/u m と い う low い し き い numerical electric industry で electricity industry radiation phenomenon since を こ し, a - C: N membrane の electricity industry radiation デ バ イ ス と し て の 応 possibility with の が Ming ら か と な っ た.

项目成果

Nobuhiro Tajima: "Nanomechanical properties of amorphous carbon and carbon nitride thin films prepared by shielded arc ion plating"Proc.Materials Research Society Symposium. (in press). (1999)

Nobuhiro Tajima：“屏蔽电弧离子镀制备的非晶碳和氮化碳薄膜的纳米力学性能”Proc.Materials Research Society Symposium。

Nobuhiro Tajima: "Wear Resistant Thin Films of Amorphous Carbon Nitride Prepared by Shielded Arc Ion Plating"Jpn. J. Appl. Phys. Lett.. 38. L1131-L1133 (1999)

Nobuhiro Tajima：“通过屏蔽电弧离子镀制备非晶碳氮化物的耐磨薄膜”Jpn。

高井治: "CN_x材料とその機械的性質"トライボロジスト. 44. 680-686 (1999)

Osamu Takai：“CN_x 材料及其机械性能”摩擦学家 44. 680-686 (1999)。

Nobuhiro Tajima: "Tribological properties of a-C : N and a-C films prepared by shielded arc ion plating"Vacuum. (in press). (2000)

Nobuhiro Tajima：“a-C 的摩擦学性能：通过屏蔽电弧离子镀制备的 N 和 a-C 薄膜”真空。

Tomohiko Sogo: "Properties of Amorphous Carbon Nitride Thin Films Prepared by Unbalanced Magnetron Sputtering"Proc. 5th Int. Symp. on Sputtering & Plasma Process. 229-230 (1999)

Tomohiko Sogo：“非平衡磁控溅射制备的非晶氮化碳薄膜的性能”Proc。