JP2010030854A - Carbon onion particle dispersed film and its manufacturing method - Google Patents

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JP2010030854A JP2008196000A JP2008196000A JP2010030854A JP 2010030854 A JP2010030854 A JP 2010030854A JP 2008196000 A JP2008196000 A JP 2008196000A JP 2008196000 A JP2008196000 A JP 2008196000A JP 2010030854 A JP2010030854 A JP 2010030854A
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Nobuo Kamiya
信雄 神谷
Hirozumi Azuma
博純 東
Tadashi Ito
忠 伊藤
Hiroyuki Omichi
博行 大道
Akihiko Nishimura
昭彦 西村
Akihito Kosaka
明人 匂坂
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Japan Atomic Energy Agency
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon onion particle dispersed film which is composed of a single layer containing a carbon onion particle, and to provide a manufacturing method of a carbon onion particle dispersed film which can manufacture the same at a low cost. <P>SOLUTION: The carbon onion particle dispersed film is composed of a mixed layer which contains carbon onion particles, metal particles and an amorphous phase. The manufacturing method of a carbon onion particle dispersed film is provided with an irradiating step for irradiating a pulse laser on the surface of a substrate containing a metal carbide at least on the surface, wherein the pulse laser has an irradiation strength of not less than 5×10<SP>13</SP>W/cm<SP>2</SP>and not more than 10<SP>17</SP>W/cm<SP>2</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、カーボンオニオン粒子分散膜及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、固体潤滑剤、電子デバイスなどに使用可能なカーボンオニオン粒子分散膜及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon onion particle dispersion film and a method for producing the same, and more particularly to a carbon onion particle dispersion film usable for a solid lubricant, an electronic device and the like, and a method for producing the same.

カーボンオニオンは、巨大フラーレンの1種であり、C60等のフラーレンからなるコアの外周に、数〜数百層程度の球形のグラファイト層が玉葱のように積層したナノサイズの微粒子である。カーボンオニオンは、軽量性、放射線に対する耐性、高温高圧下における安定性等に優れ、しかも内部に異種物質を隔離することができることから、固体潤滑剤や各種の電子デバイスへの応用が期待されている。 Carbon onion is a type of giant fullerenes, the outer periphery of the core consisting of fullerenes, such as C 60, several to several hundred layers about the graphite layer spherical are nano-sized particles were laminated as onion. Carbon onion is excellent in light weight, resistance to radiation, stability under high temperature and pressure, and can isolate foreign substances inside, so it is expected to be applied to solid lubricants and various electronic devices. .

カーボンオニオンの合成方法は、
(1)真空中でのすすへの高エネルギー電子ビーム照射、
(2)ダイヤモンド粒子の真空中熱処理、
(3)触媒を担持したシリカゲルを使用した高周波プラズマCVD法、
(4)Ag、CuなどへのCのイオン注入、
(5)アモルファスSiCへのレーザー照射、
(6)Cと触媒金属の同時スパッタ、又はCのアンバランスドマグネトロンスパッタ、
などが報告されている。
これらの内、(1)〜(3)はカーボンオニオン粉末を合成する方法であり、(4)〜(6)はカーボンオニオンを含有する薄膜を形成する方法である。
The synthesis method of carbon onion is
(1) High energy electron beam irradiation to soot in vacuum,
(2) Vacuum heat treatment of diamond particles,
(3) High-frequency plasma CVD method using silica gel carrying a catalyst,
(4) C ion implantation into Ag, Cu, etc.
(5) Amorphous SiC laser irradiation,
(6) Simultaneous sputtering of C and catalytic metal, or unbalanced magnetron sputtering of C,
Etc. have been reported.
Among these, (1) to (3) are methods for synthesizing carbon onion powder, and (4) to (6) are methods for forming a thin film containing carbon onion.

カーボンオニオン粉末又はカーボンオニオン含有薄膜の製造方法に関する報告例としては、具体的には、以下のようなものがある。
例えば、特許文献1には、基材及びスパッタリングターゲットとして、それぞれ、シリコンウェハー及びグラファイトを用い、基材に正のバイアス電位を印加しながら、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法を用いてグラファイトをスパッタし、基材表面に膜を形成するカーボンオニオン膜の製造方法が開示されている。
同文献には、
(1)薄膜の形成過程において、適切なエネルギーと流束を有する電子線を照射すると、カーボンオニオンクラスターを有する薄膜を形成できる点、及び、
(2)アンバランスドマグネトロンスパッタリング法を用いると、基材近傍にも高いプラズマ密度が形成されるので、電子密度の一層高い電子束を成膜中の薄膜に照射することができ、オニオンクラスターの形成が促進される点、
が記載されている。
Specific examples of reports relating to the method for producing carbon onion powder or carbon onion-containing thin film include the following.
For example, Patent Document 1 uses a silicon wafer and graphite as a base material and a sputtering target, respectively, and sputters graphite using an unbalanced magnetron sputtering method while applying a positive bias potential to the base material. A method for producing a carbon onion film that forms a film on the surface of a substrate is disclosed.
In the same document,
(1) In the process of forming a thin film, a thin film having a carbon onion cluster can be formed by irradiating an electron beam having appropriate energy and flux, and
(2) When an unbalanced magnetron sputtering method is used, a high plasma density is also formed in the vicinity of the substrate, so that an electron flux having a higher electron density can be irradiated to the thin film being formed, and the onion cluster The formation is promoted,
Is described.

また、特許文献2には、
(1)マグネトロンスパッタリング法を用いて、Si基板上に膜厚約0.2μmの炭素系非晶質薄膜を形成し、
(2)炭素系非晶質薄膜の表面に、所定のパターンでAl薄膜を形成し、
(3)Al薄膜をマスクとして、炭素系非晶質薄膜にFeイオンを注入し、
(4)Al薄膜を除去した後、炭素系非晶質膜に電子線を照射する、
炭素系薄膜の製造方法が開示されている。
同文献には、Feイオンを注入しない領域では電子線を照射してもグラファイトクラスターの生成が抑制されるのに対し、Feイオンを注入した領域に電子線を照射すると、高温を要することなくグラファイトクラスターの生成が促進される点が記載されている。
In addition, in Patent Document 2,
(1) Using a magnetron sputtering method, a carbon-based amorphous thin film having a film thickness of about 0.2 μm is formed on a Si substrate,
(2) An Al thin film is formed in a predetermined pattern on the surface of the carbon-based amorphous thin film,
(3) Fe ions are implanted into the carbon-based amorphous thin film using the Al thin film as a mask,
(4) After removing the Al thin film, the carbon-based amorphous film is irradiated with an electron beam.
A method for producing a carbon-based thin film is disclosed.
In the same document, the formation of graphite clusters is suppressed even when irradiated with an electron beam in a region where Fe ions are not implanted, whereas when an electron beam is irradiated onto a region where Fe ions are implanted, graphite is not required at high temperatures. The point that the generation of clusters is promoted is described.

また、特許文献3には、超微細級カーボンブラックをアセトンに懸濁させ、上澄み液を炭素製顕微鏡グリッドですくい上げ、電子顕微鏡内でカーボンブラックに強い電子線を短時間照射するナノサイズ真球状黒鉛の製造方法が開示されている。
同文献には、不規則な同心円が多層に重なり合ってできたナノ一次粒子の葡萄状集合体構造を有するすす状炭素に強い電子線を短時間照射すると、一次粒子が真球状炭素ナノオニオンに変化する点が記載されている。
Patent Document 3 discloses nano-sized spherical graphite in which ultrafine carbon black is suspended in acetone, the supernatant liquid is scooped up with a carbon microscope grid, and a strong electron beam is irradiated to the carbon black in an electron microscope for a short time. A manufacturing method is disclosed.
In the same document, when a strong electron beam is irradiated to soot-like carbon having a cage-like aggregate structure of nano-primary particles formed by overlapping irregular concentric circles, the primary particles change to spherical carbon nano-onions. The point to do is described.

また、非特許文献1には、
(1)6H−SiC基板の表面に、パルスレーザーデポジション法により、膜厚100〜200nmで化学量論組成のアモルファスSiC薄膜を形成し、
(2)基板温度600℃で、1ショットのKrFレーザー(パルス幅:25nsec、レーザーフルエンス:800mJ/cm2(照射強度=3.2×1010W/cm2に相当)、波長:248nm)をアモルファスSiC薄膜の表面に照射する、
カーボンオニオンの製造方法が開示されている。
同文献には、
(a)600℃に加熱されたアモルファスSiCにレーザーを照射すると、深さ50〜100nm程度の表面近傍領域が立方晶系に結晶化する点、
(b)照射時にSiが揮発するために、表面には厚さ約10nmの炭素質層が形成される点、
(c)オニオン状カーボンクラスターは、上部の炭素質層と内部の多結晶立方晶SiC領域の双方に形成される点、及び
(d)多結晶SiCの内部に形成されたオニオン粒子の方が大きく、欠陥も少ない点、
が記載されている。
Non-Patent Document 1 includes
(1) An amorphous SiC thin film having a film thickness of 100 to 200 nm and a stoichiometric composition is formed on the surface of a 6H-SiC substrate by a pulse laser deposition method.
(2) One shot of KrF laser (pulse width: 25 nsec, laser fluence: 800 mJ / cm 2 (equivalent to irradiation intensity = 3.2 × 10 10 W / cm 2 ), wavelength: 248 nm) at a substrate temperature of 600 ° C. Irradiate the surface of the amorphous SiC thin film,
A method for producing carbon onions is disclosed.
In the same document,
(A) When amorphous SiC heated to 600 ° C. is irradiated with a laser, a region near the surface having a depth of about 50 to 100 nm crystallizes in a cubic system,
(B) Since Si volatilizes during irradiation, a carbonaceous layer with a thickness of about 10 nm is formed on the surface.
(C) Onion-like carbon clusters are formed in both the upper carbonaceous layer and the inner polycrystalline cubic SiC region, and (d) the onion particles formed in the polycrystalline SiC are larger. , Less defects,
Is described.

また、非特許文献2には、
(1)溶融シリカ基板表面に、厚さ300nmのAg薄膜を形成し、
(2)500℃において、Ag薄膜にカーボンイオンを注入し、
(3)基板を、真空中、850℃に10時間アニールし、Ag成分を熱的に揮発させる
カーボンオニオン薄膜の製造方法が開示されている。
同文献には、得られたカーボンオニオン粒子は、ほぼ完全な球形をしており、カーボンオニオンの平均サイズは、Cの注入量により異なる点が記載されている。
Non-Patent Document 2 includes
(1) An Ag thin film having a thickness of 300 nm is formed on the surface of a fused silica substrate,
(2) At 500 ° C., carbon ions are injected into the Ag thin film,
(3) A method for producing a carbon onion thin film is disclosed in which a substrate is annealed in vacuum at 850 ° C. for 10 hours to thermally volatilize an Ag component.
This document describes that the obtained carbon onion particles are almost completely spherical, and the average size of the carbon onion varies depending on the amount of C injected.

さらに、カーボンオニオン粒子の製造方法ではないが、非特許文献3には、フェムト秒レーザーを用いたSiCのナノ加工方法が開示されている。
同文献には、4H−SiCに、波長400nm、パルスエネルギー25μJ/pulse(照射強度=1.1×1010W/cm2に相当)、繰り返し周波数50Hz、パルス数100の条件でレーザー照射を行うと、表面に2種類の周期を持ったリップル構造(周期的な凹凸構造)が形成される点が記載されている。
Furthermore, although not a method for producing carbon onion particles, Non-Patent Document 3 discloses a SiC nano-processing method using a femtosecond laser.
In this document, laser irradiation is performed on 4H-SiC under the conditions of a wavelength of 400 nm, a pulse energy of 25 μJ / pulse (equivalent to irradiation intensity = 1.1 × 10 10 W / cm 2 ), a repetition frequency of 50 Hz, and a pulse number of 100. And the point that the ripple structure (periodic uneven structure) which has two types of periods on the surface is formed is described.

特開2002−105623号公報JP 2002-105623 A 特開2006−219363号公報JP 2006-219363 A 特開2001−048508号公報JP 2001-048508 A Chem.Phys.Lett., 373(2003)642Chem. Phys. Lett., 373 (2003) 642 Chem.Phys.Lett., 320(2000)202Chem. Phys. Lett., 320 (2000) 202 富田卓朗、「超短パルスレーザを使ったSiCのマイクロ/ナノ加工と用途」、工業材料、vol.55、No.11、(2007)p56Takuro Tomita, “Micro / nano-processing of SiC using ultra-short pulse laser and its application”, Industrial Materials, vol.55, No.11, (2007) p56

カーボンオニオン粒子を各種電子デバイスや固体潤滑剤などに応用するためには、基材の表面に、カーボンオニオン粒子を適切な厚みで強固に結合させる必要がある。
しかしながら、従来知られているカーボンオニオン粒子の合成方法は、いずれもプロセスが煩雑であり、高コストである。そのため、このような粉末を用いて基材上に薄膜を形成する方法では、さらに薄膜を高コスト化させるという問題がある。
一方、カーボンオニオン粒子含有薄膜の製造方法の内、特許文献2に開示されている方法は、多工程(炭素系非晶質薄膜の成膜→マスク作製→イオン注入→マスク除去→電子線照射)が必要であり、コストパフォーマンスが悪い。また、非特許文献2に開示されている方法は、カーボンイオンを注入後、Agを取り除く必要があるため、緻密な膜が得られないという問題がある。
In order to apply the carbon onion particles to various electronic devices and solid lubricants, it is necessary to firmly bond the carbon onion particles with an appropriate thickness to the surface of the base material.
However, all of the conventionally known methods for synthesizing carbon onion particles are complicated and expensive. Therefore, the method of forming a thin film on a substrate using such a powder has a problem of further increasing the cost of the thin film.
On the other hand, among the methods for producing a carbon onion particle-containing thin film, the method disclosed in Patent Document 2 is a multi-step process (deposition of carbon-based amorphous thin film → mask preparation → ion implantation → mask removal → electron beam irradiation). Is necessary and the cost performance is poor. Further, the method disclosed in Non-Patent Document 2 has a problem that a dense film cannot be obtained because Ag needs to be removed after carbon ions are implanted.

これに対し、非特許文献1に開示されているように、アモルファスSiCにレーザーを照射すると、表面にカーボンオニオン粒子を含む膜を形成することができる。
しかしながら、この方法は、基板を600℃に加熱する必要があるため、高コストであるだけでなく、適用可能な基板の材質に制限がある。また、処理された膜は、カーボンオニオンを含む炭素質の薄膜と、カーボンオニオンを含む結晶質のSiC膜の2層構造になっており、カーボンオニオンを含む単層の膜は得られない。
In contrast, as disclosed in Non-Patent Document 1, when amorphous SiC is irradiated with a laser, a film containing carbon onion particles can be formed on the surface.
However, this method requires heating the substrate to 600 ° C., which is not only expensive, but also limits the applicable substrate material. Further, the treated film has a two-layer structure of a carbonaceous thin film containing carbon onion and a crystalline SiC film containing carbon onion, and a single layer film containing carbon onion cannot be obtained.

本発明が解決しようとする課題は、カーボンオニオン粒子を含む単一の層からなるカーボンオニオン粒子分散膜を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このようなカーボンオニオン粒子分散膜を低コストで製造することが可能なカーボンオニオン粒子分散膜の製造方法を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a carbon onion particle dispersion film comprising a single layer containing carbon onion particles.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a carbon onion particle dispersion film capable of producing such a carbon onion particle dispersion film at low cost.

上記課題を解決するために本発明に係るカーボンオニオン粒子分散膜は、カーボンオニオン粒子と、金属粒子と、非晶質相とを含む混合層からなる。
また、本発明に係るカーボンオニオン粒子分散膜の製造方法は、
少なくともその表面に金属炭化物を含む基材の表面にパルスレーザーを照射する照射工程を備え、
前記パルスレーザーは、照射強度が5×1013W/cm2以上1017W/cm2以下であることを要旨とする。
In order to solve the above problems, the carbon onion particle dispersion film according to the present invention comprises a mixed layer containing carbon onion particles, metal particles, and an amorphous phase.
In addition, the method for producing a carbon onion particle dispersion film according to the present invention,
Comprising an irradiation step of irradiating a surface of a substrate containing metal carbide at least on its surface with a pulsed laser;
The gist of the pulse laser is that the irradiation intensity is 5 × 10 13 W / cm 2 or more and 10 17 W / cm 2 or less.

金属炭化物を含む基材の表面に照射強度の高いパルスレーザーを照射すると、基材表面に、カーボンオニオン粒子と、金属粒子と、非晶質相とを含む混合層からなるカーボンオニオン粒子分散膜が得られる。
この生成機構は明確ではないが、以下のように推定している。
(1)金属炭化物に強力なパルスレーザーが照射されると、表面近傍の金属炭化物の全部又は一部がCと金属に分解し、金属はCを過飽和に溶解した状態で融解する。
(2)温度上昇した表面は瞬時に冷却され、融解した金属中に含まれる過飽和のCは、まずフラーレンを形成する。
(3)生成したフラーレンの周囲に、次々とグラファイト層が積み重なってカーボンオニオン粒子が析出する。
(4)金属炭化物の分解により生成した融液の一部は、冷却時に結晶質の金属粒子として粒状に析出し、結晶化できなかった部分が非晶質相として残存する。
When the surface of a substrate containing metal carbide is irradiated with a pulse laser having a high irradiation intensity, a carbon onion particle dispersion film composed of a mixed layer containing carbon onion particles, metal particles, and an amorphous phase is formed on the substrate surface. can get.
Although this generation mechanism is not clear, it is estimated as follows.
(1) When a powerful pulse laser is irradiated onto a metal carbide, all or part of the metal carbide near the surface is decomposed into C and metal, and the metal melts in a state where C is dissolved in supersaturation.
(2) The surface whose temperature has risen is instantaneously cooled, and the supersaturated C contained in the molten metal first forms fullerene.
(3) Graphite layers are successively stacked around the generated fullerene to deposit carbon onion particles.
(4) A part of the melt produced by the decomposition of the metal carbide precipitates in the form of crystalline metal particles during cooling, and the part that cannot be crystallized remains as an amorphous phase.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. カーボンオニオン粒子分散膜]
本発明に係るカーボンオニオン粒子分散膜は、カーボンオニオン粒子と、金属粒子と、非晶質相とを含む混合層からなる。カーボンオニオン粒子分散膜は、さらに金属炭化物粒子を含む場合がある。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Carbon onion particle dispersion film]
The carbon onion particle dispersion film according to the present invention comprises a mixed layer containing carbon onion particles, metal particles, and an amorphous phase. The carbon onion particle dispersion film may further contain metal carbide particles.

[1.1 カーボンオニオン粒子]
本発明において、「カーボンオニオン粒子」とは、グラファイトのC面が玉葱状、あるいは同心球状に複数積層した球殻構造を有する粒子をいう。カーボンオニオン粒子の中心部は、球殻構造であっても無くても良い。なお、カーボンオニオン粒子を構成するグラファイトのC面は、無欠陥である必要はない。
[1.1 Carbon onion particles]
In the present invention, “carbon onion particles” refer to particles having a spherical shell structure in which a plurality of graphite C-planes are laminated in an onion-like shape or concentric spherical shape. The central part of the carbon onion particles may or may not have a spherical shell structure. Note that the C-plane of graphite constituting the carbon onion particles need not be defect-free.

カーボンオニオン粒子分散膜は、後述するように、少なくともその表面に金属炭化物M2Cを含む基板の表面にパルスレーザーを照射することにより製造することができる。膜中に含まれるカーボンオニオン粒子の面内数密度及び平均直径は、パルスレーザー照射面の組成やパルスレーザーの照射条件等により制御することができる。
例えば、後述する方法を用いてカーボンオニオン粒子分散膜を製造する場合において、製造条件を最適化すると、カーボンオニオン粒子の面内数密度が1個/0.01μm2以上である膜が得られる。また、製造条件を最適化すると、平均直径が2nm以上50nm以下であるカーボンオニオン粒子を含む膜が得られる。
As will be described later, the carbon onion particle-dispersed film can be produced by irradiating at least the surface of a substrate containing a metal carbide M 2 C on the surface thereof with a pulse laser. The in-plane number density and average diameter of the carbon onion particles contained in the film can be controlled by the composition of the pulse laser irradiation surface, the pulse laser irradiation conditions, and the like.
For example, in the case of producing a carbon onion particle-dispersed film using the method described later, when the production conditions are optimized, a film having an in-plane number density of carbon onion particles of 1 / 0.01 μm 2 or more can be obtained. Further, when the production conditions are optimized, a film containing carbon onion particles having an average diameter of 2 nm to 50 nm can be obtained.

[1.2 金属粒子]
金属粒子を構成する金属元素M1は、レーザー照射面に存在していた金属炭化物M2Cを構成する金属元素M2を含む。金属炭化物M2Cが2種以上の金属元素M2を含む混合物又は複合体である場合、金属元素M1は、少なくとも1種類の金属元素M2を含む。なお、本発明において「金属元素」というときは、Siなどの半金属元素も含まれる。
[1.2 Metal particles]
The metal element M 1 constituting the metal particles includes the metal element M 2 constituting the metal carbide M 2 C existing on the laser irradiation surface. When the metal carbide M 2 C is a mixture or composite including two or more metal elements M 2 , the metal element M 1 includes at least one metal element M 2 . In the present invention, the term “metal element” includes metalloid elements such as Si.

金属粒子は、金属炭化物M2Cをパルスレーザーで分解することにより生成するので、金属粒子を構成する金属元素M1は、金属炭化物を形成可能なものからなる。このような金属元素M1としては、具体的には、IVA族元素(Ti、Zr、Hf)、VA族元素(V、Nb、Ta)、VIA族元素(Cr、Mo、W)、IVB族元素(Si、Ge、Sn、Pb)などがある。金属粒子は、これらのいずれか1種の金属元素M1を含んでいても良く、あるいは、2種以上の金属元素M1を含む混合物又は合金であっても良い。
例えば、レーザー照射面に存在する金属炭化物M2CがSiCである場合、所定の条件下でパルスレーザーを照射することによって、膜中にSi粒子が生成する。
Since the metal particles are generated by decomposing the metal carbide M 2 C with a pulse laser, the metal element M 1 constituting the metal particles is formed of a metal carbide capable of forming. Specific examples of such metal element M 1 include group IVA elements (Ti, Zr, Hf), group VA elements (V, Nb, Ta), group VIA elements (Cr, Mo, W), group IVB. There are elements (Si, Ge, Sn, Pb) and the like. The metal particles may contain any one of these metal elements M 1 , or may be a mixture or alloy containing two or more metal elements M 1 .
For example, when the metal carbide M 2 C present on the laser irradiation surface is SiC, Si particles are generated in the film by irradiation with a pulsed laser under predetermined conditions.

膜中に含まれる金属粒子の組成、数及び平均直径は、パルスレーザー照射面の組成やパルスレーザーの照射条件等により制御することができる。
例えば、後述する方法を用いてカーボンオニオン粒子分散膜を製造する場合において、製造条件を最適化すると、平均直径が0.1nm以上1000nm以下である金属粒子を含む膜が得られる。
また、例えば、パルスレーザー照射面にCリッチのアモルファスSiCが含まれている場合、金属粒子の含有量が相対的に少ない膜が得られる。
The composition, number and average diameter of the metal particles contained in the film can be controlled by the composition of the pulse laser irradiation surface, pulse laser irradiation conditions, and the like.
For example, in the case of producing a carbon onion particle-dispersed film using the method described later, when the production conditions are optimized, a film containing metal particles having an average diameter of 0.1 nm to 1000 nm is obtained.
For example, when C-rich amorphous SiC is contained on the pulse laser irradiation surface, a film having a relatively small content of metal particles can be obtained.

[1.3 非晶質相]
非晶質相は、金属炭化物M2Cの分解により生成した溶融金属から金属粒子及びカーボンオニオン粒子が析出した後、残りの融液が凝固することにより生成したものと考えられている。従って、非晶質相は、パルスレーザー照射面に存在していた金属炭化物M2Cを構成する金属元素M2及びCから選ばれるいずれか1以上を含む。また、パルスレーザー照射時に溶融金属に雰囲気中のガス(例えば、酸素)が混入する場合もある。
膜中に含まれる非晶質相の量は、パルスレーザー照射面の組成やパルスレーザーの照射条件等により制御することができる。
[1.3 Amorphous phase]
The amorphous phase is considered to be produced by the precipitation of metal particles and carbon onion particles from the molten metal produced by the decomposition of the metal carbide M 2 C and then solidification of the remaining melt. Therefore, the amorphous phase contains one or more selected from the metal elements M 2 and C constituting the metal carbide M 2 C existing on the pulse laser irradiation surface. In addition, gas (for example, oxygen) in the atmosphere may be mixed into the molten metal during pulse laser irradiation.
The amount of the amorphous phase contained in the film can be controlled by the composition of the pulse laser irradiation surface, the pulse laser irradiation conditions, and the like.

[1.4 金属炭化物粒子]
本発明に係るカーボンオニオン粒子分散膜は、金属炭化物M3Cを含む場合がある。
膜中に含まれる金属炭化物M3Cとしては、具体的には、
(1)レーザー照射面に存在していた金属炭化物M2Cが未反応のまま残った、あるいは再析出したもの、
(2)レーザー照射によって金属炭化物M2Cの全部又は一部が反応し、組成及び/又は結晶構造の異なる炭化物として新たに析出したもの、
などがある。
従って、金属炭化物M3C粒子を構成する金属元素M3は、レーザー照射面に存在していた金属炭化物M2Cを構成する金属元素M2のすべてを含む場合と、金属元素M2の一部を含む場合とがある。
[1.4 Metal carbide particles]
The carbon onion particle dispersion film according to the present invention may contain a metal carbide M 3 C.
As the metal carbide M 3 C contained in the film, specifically,
(1) Metal carbide M 2 C existing on the laser irradiation surface remains unreacted or re-deposited,
(2) those in which all or part of the metal carbide M 2 C by laser irradiation reacts, freshly precipitated as different carbides in composition and / or crystal structure,
and so on.
Accordingly, the metal element M 3 constituting the metal carbide M 3 C particles includes all of the metal elements M 2 constituting the metal carbide M 2 C existing on the laser irradiation surface, and one of the metal elements M 2 . May include parts.

金属炭化物M3Cを構成する金属元素M3は、金属炭化物を形成可能なものからなる。このような金属元素M3としては、具体的には、IVA族元素(Ti、Zr、Hf)、VA族元素(V、Nb、Ta)、VIA族元素(Cr、Mo、W)、IVB族元素(Si、Ge、Sn、Pb)などがある。金属炭化物M3C粒子は、これらのいずれか1種の金属元素M3を含んでいても良く、あるいは、2種以上の金属元素M3を含む混合物又は複合体であっても良い。また、金属元素M3は、膜中の金属粒子を構成する金属元素M1と同一であっても良く、あるいは異なっていても良い。
例えば、レーザー照射面に存在する金属炭化物M2CがSiCである場合、所定の条件下でパルスレーザーを照射することによって、膜中にSiC粒子が含まれる場合がある。
The metal element M 3 constituting the metal carbide M 3 C is capable of forming a metal carbide. Specifically, as such a metal element M 3 , a group IVA element (Ti, Zr, Hf), a group VA element (V, Nb, Ta), a group VIA element (Cr, Mo, W), a group IVB There are elements (Si, Ge, Sn, Pb) and the like. The metal carbide M 3 C particles may contain any one of these metal elements M 3 , or may be a mixture or composite containing two or more metal elements M 3 . Further, the metal element M 3 may be the same as or different from the metal element M 1 constituting the metal particles in the film.
For example, when the metal carbide M 2 C present on the laser irradiation surface is SiC, SiC particles may be contained in the film by irradiating a pulse laser under predetermined conditions.

膜中に含まれる金属炭化物M3C粒子の組成、数及び平均直径は、パルスレーザー照射面の組成やパルスレーザーの照射条件等により制御することができる。
例えば、後述する方法を用いてカーボンオニオン粒子分散膜を製造する場合において、製造条件を最適化すると、平均直径が0.1nm以上1000nm以下である金属炭化物M3C粒子を含む膜が得られる。
The composition, number, and average diameter of the metal carbide M 3 C particles contained in the film can be controlled by the composition of the pulse laser irradiation surface, pulse laser irradiation conditions, and the like.
For example, in the case of producing a carbon onion particle-dispersed film using a method described later, when the production conditions are optimized, a film containing metal carbide M 3 C particles having an average diameter of 0.1 nm to 1000 nm is obtained.

[2. カーボンオニオン粒子分散膜の製造方法]
本発明に係るカーボンオニオン粒子分散膜の製造方法は、少なくともその表面に金属炭化物を含む基材の表面にパルスレーザーを照射する照射工程を備えている。
[2. Manufacturing method of carbon onion particle dispersion film]
The method for producing a carbon onion particle dispersion film according to the present invention includes an irradiation step of irradiating the surface of a base material containing metal carbide on at least the surface thereof with a pulse laser.

[2.1 基材]
基材は、少なくともその表面に金属炭化物M2Cを含むものからなる。基材は、全体に金属炭化物M2Cを含むものでも良く、あるいは、表面のみに金属炭化物M2Cを含むものでも良い。また、基材の少なくとも表面は、金属炭化物M2Cのみからなるものでも良く、あるいは、金属炭化物M2Cからなる相とこれとは異なる相(例えば、金属相、酸化物相、窒化物相など)との複合体であっても良い。
基材の形状は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の形状を有する基材を用いることができる。
[2.1 Substrate]
The substrate consists of those containing a metal carbide M 2 C at least on its surface. The base material may contain the metal carbide M 2 C as a whole, or may contain the metal carbide M 2 C only on the surface. Further, at least the surface of the substrate may be composed of only the metal carbide M 2 C, or a phase different from the phase composed of the metal carbide M 2 C (for example, metal phase, oxide phase, nitride phase). Etc.).
The shape of the substrate is not particularly limited, and substrates having various shapes can be used according to the purpose.

金属炭化物M2Cを構成する金属元素M2は、金属炭化物を形成可能なものからなる。このような金属元素M2としては、具体的には、IVA族元素(Ti、Zr、Hf)、VA族元素(V、Nb、Ta)、VIA族元素(Cr、Mo、W)、IVB族元素(Si、Ge、Sn、Pb)などがある。金属炭化物M2Cは、これらのいずれか1種の金属元素M2を含むものでも良く、あるいは、2種以上の金属元素M2を含む混合物又は複合体であっても良い。 The metal element M 2 constituting the metal carbide M 2 C is capable of forming a metal carbide. Specific examples of such metal element M 2 include group IVA elements (Ti, Zr, Hf), group VA elements (V, Nb, Ta), group VIA elements (Cr, Mo, W), group IVB. There are elements (Si, Ge, Sn, Pb) and the like. The metal carbide M 2 C may include any one of these metal elements M 2 , or may be a mixture or composite including two or more metal elements M 2 .

基材としては、具体的には、
(1)金属炭化物M2C(例えば、SiC、TiC、ZrC、WC、VC、NbCなど、又はこれらの2以上を含む混合物又は複合体など)からなる単結晶、多結晶、又はアモルファスの基材、
(2)金属炭化物M2C相と他の相(例えば、金属相、酸化物相、窒化物相など)との複合体からなる基材(例えば、WC−Co合金からなる基板)、
(3)金属材料、有機材料、非金属無機材料などからなる支持体の表面に、金属炭化物M2Cを含む結晶質又はアモルファスの薄膜が形成された基材(例えば、多結晶SiCウェハの表面にアモルファスSiC薄膜が形成された基板)、
などがある。
Specifically, as a base material,
(1) A single crystal, polycrystalline, or amorphous substrate made of metal carbide M 2 C (for example, SiC, TiC, ZrC, WC, VC, NbC, etc., or a mixture or composite containing two or more thereof) ,
(2) metal carbide M 2 C phase and other phases (e.g., a metal phase, an oxide phase, such as nitride phase) substrate made of a complex with (for example, a substrate made of WC-Co alloy),
(3) A substrate (for example, the surface of a polycrystalline SiC wafer) on which a crystalline or amorphous thin film containing a metal carbide M 2 C is formed on the surface of a support made of a metal material, an organic material, a non-metallic inorganic material, or the like A substrate on which an amorphous SiC thin film is formed),
and so on.

[2.2 パルスレーザー照射]
基材表面には、パルスレーザーが照射される。カーボンオニオン粒子分散膜を得るためには、強力なパルスレーザーを照射する必要がある。パルスレーザーの照射強度が低すぎると、基材表面に周期的な凹凸構造が形成されるだけで、カーボンオニオン粒子を形成することはできない(例えば、非特許文献3参照)。従って、パルスレーザーの照射強度は、5×1013W/cm2以上とする必要がある。
一方、パルスレーザーの照射強度が高すぎると、生成したカーボンオニオン粒子分散膜が吹き飛ばされる、又は、生成したカーボンオニオン粒子がアモルファス化する。従って、パルスレーザーの照射強度は、1017W/cm2以下とする必要がある。
最適な照射強度は、基材表面の組成や、カーボンオニオン粒子分散膜に要求される特性などに応じて選択するのが好ましい。
[2.2 Pulsed laser irradiation]
The substrate surface is irradiated with a pulse laser. In order to obtain a carbon onion particle dispersion film, it is necessary to irradiate a powerful pulse laser. If the irradiation intensity of the pulse laser is too low, only a periodic uneven structure is formed on the surface of the substrate, and carbon onion particles cannot be formed (for example, see Non-Patent Document 3). Therefore, the irradiation intensity of the pulse laser needs to be 5 × 10 13 W / cm 2 or more.
On the other hand, if the irradiation intensity of the pulse laser is too high, the generated carbon onion particle dispersion film is blown off, or the generated carbon onion particles become amorphous. Therefore, the irradiation intensity of the pulse laser needs to be 10 17 W / cm 2 or less.
The optimum irradiation intensity is preferably selected according to the composition of the substrate surface, the characteristics required for the carbon onion particle dispersion film, and the like.

パルスレーザーのパルス幅は、膜の状態に影響を与える。一般に、パルス幅が狭すぎると、基材表面に投入されるエネルギーが少なくなるので、カーボンオニオン粒子の生成量が減少する。従って、パルス幅は、1fsec以上が好ましい。
一方、パルス幅が広すぎると、基材表面に投入されるエネルギーが過剰となるので、カーボンオニオン粒子が生成されなくなる。従って、パルス幅は、100psec以下が好ましい。
最適なパルス幅は、基材表面の組成や、カーボンオニオン粒子分散膜に要求される特性などに応じて選択するのが好ましい。
The pulse width of the pulse laser affects the state of the film. In general, if the pulse width is too narrow, the energy input to the substrate surface is reduced, and the amount of carbon onion particles produced is reduced. Therefore, the pulse width is preferably 1 fsec or more.
On the other hand, if the pulse width is too wide, energy input to the substrate surface becomes excessive, and carbon onion particles are not generated. Therefore, the pulse width is preferably 100 psec or less.
The optimum pulse width is preferably selected according to the composition of the substrate surface, the characteristics required for the carbon onion particle dispersion film, and the like.

さらに、カーボンオニオン粒子は、非常に短いパルス幅で強力なレーザーを照射することにより形成される。そのため、1つの領域に多数回の強力なパルスレーザーを照射すると、直前のパルスレーザー照射で生成したカーボンオニオン粒子が繰り返しのパルスレーザー照射で破壊され、アモルファス化するおそれがある。従って、1つの領域に所定の照射強度を持つ1パルスのパルスレーザーを照射するのが好ましい。
基材表面上に所定の範囲にカーボンオニオン粒子分散膜を形成するには、パルスレーザーあるいは基材を2次元に移動しながら照射すれば良い。この時、1パルスの照射部の重なりをできる限り少なくすることが必要である。
また、基材表面上に所定の範囲にカーボンオニオン粒子分散膜を形成する他の方法としては、レーザー照射径の拡大、及び面内の照射強度の均一化を施して、所定パターンのマスクが形成された基材表面にレーザーを照射する方法などがある。
Furthermore, carbon onion particles are formed by irradiating a powerful laser with a very short pulse width. Therefore, when a single region is irradiated with a powerful pulse laser many times, carbon onion particles generated by the last pulse laser irradiation may be destroyed by repeated pulse laser irradiation and become amorphous. Therefore, it is preferable to irradiate one pulse laser beam having a predetermined irradiation intensity on one region.
In order to form a carbon onion particle-dispersed film in a predetermined range on the surface of the substrate, the pulse laser or the substrate may be irradiated while moving in two dimensions. At this time, it is necessary to reduce the overlap of the irradiation portions of one pulse as much as possible.
As another method of forming a carbon onion particle dispersion film in a predetermined range on the surface of the substrate, a mask with a predetermined pattern is formed by enlarging the laser irradiation diameter and equalizing the in-plane irradiation intensity. There is a method of irradiating a laser beam on the surface of the substrate.

パルスレーザーの照射径は、膜の状態に影響を与える。一般に、照射径が小さすぎると、所定の面積をパルスレーザーで照射するには、長時間を要するので好ましくない。
一方、照射径が大きすぎると、照射面内での照射強度が不均一になる、あるいは、所定の照射強度のパルスレーザーを照射できなくなるので好ましくない。
最適な照射径は、基材表面の組成や、カーボンオニオン粒子分散膜に要求される特性などに応じて選択するのが好ましい。
The irradiation diameter of the pulse laser affects the state of the film. Generally, if the irradiation diameter is too small, it takes a long time to irradiate a predetermined area with a pulse laser, which is not preferable.
On the other hand, if the irradiation diameter is too large, the irradiation intensity within the irradiation surface becomes non-uniform, or a pulse laser with a predetermined irradiation intensity cannot be irradiated, which is not preferable.
The optimum irradiation diameter is preferably selected according to the composition of the substrate surface, the characteristics required for the carbon onion particle dispersion film, and the like.

パルスレーザーの照射の際には、基材を適当な温度に加熱しても良い。しかしながら、基材の加熱は必ずしも必要ではなく、照射強度が適切であれば、室温における処理であってもカーボンオニオン粒子を生成させることができる。   When irradiating with a pulse laser, the substrate may be heated to an appropriate temperature. However, heating of the base material is not necessarily required, and carbon onion particles can be generated even by treatment at room temperature if the irradiation intensity is appropriate.

[2.3 その他の工程]
表面にカーボンオニオン粒子分散膜が形成された基材は、そのまま各種の用途に用いることができる。あるいは、基材を除去し、カーボンオニオン粒子分散膜を単独で使用することもできる。基材の除去方法は、特に限定されるものではなく、基材の種類に応じて、周知の方法(例えば、エッチング法など)を用いることができる。
また、カーボンオニオン粒子分散膜中の金属粒子あるいは炭化物粒子の寸法を増大させるため、あるいは膜中のひずみを除去するために熱処理を施しても良い。
[2.3 Other steps]
The substrate on which the carbon onion particle dispersion film is formed on the surface can be used for various applications as it is. Alternatively, the substrate can be removed and the carbon onion particle dispersion film can be used alone. The method for removing the substrate is not particularly limited, and a known method (for example, an etching method) can be used depending on the type of the substrate.
Further, heat treatment may be performed to increase the size of the metal particles or carbide particles in the carbon onion particle-dispersed film, or to remove strain in the film.

[3. カーボンオニオン粒子分散膜及びその製造方法の作用]
金属炭化物を含む基材の表面に照射強度の高いパルスレーザーを照射すると、基材表面に、カーボンオニオン粒子と、金属粒子と、非晶質相とを含む混合層からなるカーボンオニオン粒子分散膜が得られる。しかも、その際に、基材を高温に加熱する必要がない。また、カーボンオニオン粒子を含む単一の層からなる膜が得られ、カーボンオニオン粒子を含む複数層が形成されることもない。さらに、得られた膜は緻密であり、膜形成後に必ずしも後工程を必要としない。
[3. Action of carbon onion particle dispersion film and method for producing the same]
When the surface of a substrate containing metal carbide is irradiated with a pulse laser having a high irradiation intensity, a carbon onion particle dispersion film composed of a mixed layer containing carbon onion particles, metal particles, and an amorphous phase is formed on the substrate surface. can get. In addition, it is not necessary to heat the substrate to a high temperature. Further, a film composed of a single layer containing carbon onion particles is obtained, and a plurality of layers containing carbon onion particles are not formed. Furthermore, the obtained film is dense and does not necessarily require a post-process after film formation.

これは、以下のような理由によると考えられる。すなわち、金属炭化物に強力なパルスレーザーが照射されると、表面近傍の金属炭化物の全部又は一部がCと金属に分解する。この時、表面近傍の温度は、約4000Kに達するため、金属はCを過飽和に溶解した状態で融解する。一方、レーザーのパルス幅は極めて短いために、温度上昇した表面は瞬時に冷却され、融解した金属中に含まれる過飽和のCは、まずフラーレンを形成する。さらに、生成したフラーレンの周囲に、次々とグラファイト層が積み重なってカーボンオニオン粒子が析出する。金属炭化物の分解により生成した融液の一部は、冷却時に結晶質の金属粒子として粒状に析出し、結晶化できなかった部分が非晶質相として残存する。   This is considered due to the following reasons. That is, when the metal carbide is irradiated with a powerful pulse laser, all or part of the metal carbide near the surface is decomposed into C and metal. At this time, since the temperature in the vicinity of the surface reaches about 4000 K, the metal melts in a state where C is dissolved in supersaturation. On the other hand, since the pulse width of the laser is extremely short, the surface whose temperature has risen is instantaneously cooled, and the supersaturated C contained in the molten metal first forms fullerene. Furthermore, graphite onion is deposited one after another around the generated fullerene, and carbon onion particles are deposited. A part of the melt produced by the decomposition of the metal carbide precipitates in the form of crystalline metal particles during cooling, and the part that could not be crystallized remains as an amorphous phase.

カーボンオニオン粒子は、巨大フラーレンであるが故に、固体潤滑剤や電子デバイスなどの各種の機能材料としての応用が期待されている。本発明に係るカーボンオニオン粒子分散膜は、緻密な膜中にカーボンオニオン粒子以外に金属粒子や金属炭化物粒子が共存しているので、特性の飛躍的向上や新規特性の発現が期待できる。さらに、本発明に係る製造方法は、カーボンオニオン粒子を含有する膜を室温において極めて短時間の処理により形成することができるので、プロセスを低コスト化することができる。   Since carbon onion particles are giant fullerenes, they are expected to be applied as various functional materials such as solid lubricants and electronic devices. In the carbon onion particle dispersion film according to the present invention, since metal particles and metal carbide particles coexist in the dense film in addition to the carbon onion particles, it is possible to expect dramatic improvement in characteristics and expression of new characteristics. Furthermore, the manufacturing method according to the present invention can form a film containing carbon onion particles at a room temperature by an extremely short time treatment, so that the cost of the process can be reduced.

(実施例1)
[1. 試料の作製]
ターゲットとして、CVD(Chemical Vapor Deposition)法で作製した市販の超高純度多結晶SiCウェハ(30×30×0.5mm)を準備した。多結晶SiCの結晶系は、立方晶系の3C−SiCであり、ウェハ面が(111)面に相当する配向多結晶体である。そのターゲットを真空槽内の並進機構を有するターゲット保治具に設置した。
レーザーを真空槽内のoff-axisパラボラミラーにより集光してターゲット表面上に照射した。照射径は、長径:約50μm×短径:約25μmとし、照射強度は1016W/cm2とした。照射に際して、ターゲットは加熱せずに室温下において、水平方向に2.5mm/secの速度で移動させ、1パルス毎の照射痕を形成した。照射時の真空度は10-5Torr(1.33×10-3Pa)とした。レーザーは、波長800nmのTi−サファイアレーザーを用い、パルス幅は70fsecとした。
Example 1
[1. Preparation of sample]
As a target, a commercially available ultrahigh purity polycrystalline SiC wafer (30 × 30 × 0.5 mm) prepared by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method was prepared. The crystal system of the polycrystalline SiC is cubic 3C—SiC, and is an oriented polycrystalline body whose wafer surface corresponds to the (111) plane. The target was placed on a target holding jig having a translation mechanism in a vacuum chamber.
The laser was focused by the off-axis parabolic mirror in the vacuum chamber and irradiated onto the target surface. The irradiation diameter was major axis: about 50 μm × short axis: about 25 μm, and the irradiation intensity was 10 16 W / cm 2 . During irradiation, the target was not heated and moved in the horizontal direction at a speed of 2.5 mm / sec at room temperature to form irradiation traces for each pulse. The degree of vacuum during irradiation was 10 −5 Torr (1.33 × 10 −3 Pa). The laser used was a Ti-sapphire laser with a wavelength of 800 nm, and the pulse width was 70 fsec.

[2. 結果]
図1に、照射部と未照射部(3C−SiC)のラマン散乱スペクトルを示す。
照射部は、
(1)結晶Siに由来する520cm-1のピーク、
(2)グラファイトライクカーボンに由来する1360cm-1と1590cm-1のピーク、及び、
(3)3C−SiC由来の微弱なピーク
からなっていた。
この結果は、レーザー照射により、SiCはSiとCに分解して、分解したSiが結晶として析出し、一部未分解のSiCはそのまま残存あるいは再析出したと推察される。
[2. result]
In FIG. 1, the Raman scattering spectrum of an irradiated part and an unirradiated part (3C-SiC) is shown.
The irradiation part
(1) peak of 520 cm -1 derived from crystal Si,
(2) 1360 cm −1 and 1590 cm −1 peaks derived from graphite-like carbon, and
(3) It consisted of a weak peak derived from 3C-SiC.
This result is presumed that SiC is decomposed into Si and C by laser irradiation, and the decomposed Si is precipitated as crystals, and partly undecomposed SiC remains or reprecipitates as it is.

図2に、照射部の断面TEM像及び第1層の電子線回折図形を示す。照射部は、元の3C−SiCとは異なる2層からなっていた。第1層は、厚みが約100nmであり、電子線回折図形から単結晶Si、単結晶3C−SiC、及びグラファイト構造の存在が確認された。単結晶Si、単結晶3C−SiC、及びグラファイト構造の存在は、図1に示したラマン散乱スペクトルの結果と一致した。
これに対し、第2層は、厚みが約100nmであり、3C−SiCのみの存在を電子線回折図形から確認した。TEM像からは、元の3C−SiCと異質のように見えるが、多数の線状模様は転位であり、レーザーの照射により多くの転位が発生したと推察される。
In FIG. 2, the cross-sectional TEM image of an irradiation part and the electron beam diffraction pattern of a 1st layer are shown. The irradiation part consisted of two layers different from the original 3C—SiC. The first layer had a thickness of about 100 nm, and the presence of single crystal Si, single crystal 3C-SiC, and graphite structure was confirmed from the electron diffraction pattern. The presence of single crystal Si, single crystal 3C-SiC, and graphite structure coincided with the results of the Raman scattering spectrum shown in FIG.
In contrast, the second layer had a thickness of about 100 nm, and the presence of only 3C—SiC was confirmed from the electron diffraction pattern. From the TEM image, it looks different from the original 3C-SiC, but many linear patterns are dislocations, and it is inferred that many dislocations were generated by laser irradiation.

図3に、第1層の異なる領域(3視野)での高倍率TEM像を示す。グラファイト面が玉葱状に何層も巻いているカーボンオニオン(C-onion)と、結晶Si粒子が観察された。しかし、TEM像からは、3C−SiCの存在は確認できなかった。これは、ラマン散乱スペクトル及び電子線回折図形での信号強度が弱いことから、数密度が低い、あるいは極めて小さいためと推察される。
高倍率TEM像からは、結晶性のSiとカーボンオニオンを確認できたが、それら以外の領域も存在していた。この領域は、非晶質相と考えられる。非晶質相の構成元素としては、Si、C、Oが考えられる。Oは、レーザー照射時の真空槽の真空度があまり良くないために混入する可能性があると考えられる。
複数の高倍率TEM像から、カーボンオニオンとSi粒子の寸法を測定した。各々、26±2.4nm、及び9.3±3.0nmであった。また、面内数密度は、各々、9.5個/0.01μm2、及び76個/0.01μm2であった。
FIG. 3 shows a high-magnification TEM image in different regions (three fields of view) of the first layer. A carbon onion (C-onion) with a graphite surface wound in an onion shape and crystalline Si particles were observed. However, the presence of 3C-SiC could not be confirmed from the TEM image. This is presumably because the number density is low or very small because the signal intensity in the Raman scattering spectrum and electron diffraction pattern is weak.
From the high-magnification TEM image, crystalline Si and carbon onion could be confirmed, but other regions were also present. This region is considered an amorphous phase. Si, C, and O can be considered as constituent elements of the amorphous phase. It is considered that O may be mixed because the vacuum degree of the vacuum chamber at the time of laser irradiation is not so good.
The dimensions of carbon onion and Si particles were measured from a plurality of high magnification TEM images. They were 26 ± 2.4 nm and 9.3 ± 3.0 nm, respectively. The in-plane number densities were 9.5 / 0.01 μm 2 and 76 / 0.01 μm 2 , respectively.

照射部の電流(I)−電圧(V)特性を2端子2探針法により測定した。探針間距離は、約20μmとした。図4に、その結果を示す。低電圧域でのI−Vの関係は直線であるが、±10V、及び±15Vにて、ステップ状に増加し、さらに傾きも増加する特異な特性を示した。これは、電流の担い手が10nm程度のSi粒子と、それより大きなカーボンオニオンであり、電圧により電子の流れる経路が変わることによると考えられる。   The current (I) -voltage (V) characteristics of the irradiated part were measured by a two-terminal two-probe method. The distance between the probes was about 20 μm. FIG. 4 shows the result. The IV relationship in the low voltage range is a straight line, but it shows a unique characteristic that increases stepwise at ± 10 V and ± 15 V and further increases the slope. This is thought to be due to the fact that the current bearer is Si particles of about 10 nm and a larger carbon onion, and the path through which electrons flow depends on the voltage.

(実施例2)
[1. 試料の作製]
レーザーのパルス幅:150fsec、照射強度:9×1014W/cm2とした以外は、実施例1と同一条件下で、3C−SiCウェハにレーザーを1パルスだけ照射した。
(Example 2)
[1. Preparation of sample]
The laser was irradiated onto the 3C-SiC wafer by one pulse under the same conditions as in Example 1 except that the laser pulse width was 150 fsec and the irradiation intensity was 9 × 10 14 W / cm 2 .

[2. 結果]
照射部のラマン散乱スペクトルは、実施例1と同様であった。また、断面TEM観察により、実施例1と同様に、第1層と第2層の形成を確認した。
図5に、第1層のTEM像を示す。図中には、カーボンオニオンの位置及び大きさを直径の異なる円で模式的に示してある。カーボンオニオン粒子の直径及び面内数密度は、各々26±4.0nm、及び18個/0.01μm2であった。この場合も、実施例1と同様に、照射部は、カーボンオニオン、Si粒子、3C−SiC粒子、及び非晶質相が形成されていた。
[2. result]
The Raman scattering spectrum of the irradiated part was the same as in Example 1. Moreover, formation of the 1st layer and the 2nd layer was confirmed by cross-sectional TEM observation similarly to Example 1. FIG.
FIG. 5 shows a TEM image of the first layer. In the figure, the position and size of the carbon onion are schematically shown by circles having different diameters. The diameter and in-plane number density of the carbon onion particles were 26 ± 4.0 nm and 18 particles / 0.01 μm 2 , respectively. Also in this case, similarly to Example 1, the irradiated part was formed with carbon onions, Si particles, 3C-SiC particles, and an amorphous phase.

(実施例3)
[1. 試料の作製]
レーザーの照射強度を1014W/cm2とした以外は、実施例1と同一条件下で、3C−SiCウェハにレーザーを1パルスだけ照射した。
(Example 3)
[1. Preparation of sample]
Except for setting the laser irradiation intensity to 10 14 W / cm 2 , the laser was irradiated to the 3C-SiC wafer by one pulse under the same conditions as in Example 1.

[2. 結果]
照射部のラマン散乱スペクトルは、実施例1と同様であった。図6に、照射部表面のSEM像を示す。照射部表面には、カーボンオニオンと考えられる20〜60nmの微量粒子が多数析出した。この場合も、実施例1と同様に、照射部は、カーボンオニオン、Si粒子、3C−SiC粒子、非晶質相が形成されたと推定される。
[2. result]
The Raman scattering spectrum of the irradiated part was the same as in Example 1. FIG. 6 shows an SEM image of the surface of the irradiated part. On the surface of the irradiated part, a large number of 20 to 60 nm trace particles considered to be carbon onions were precipitated. Also in this case, similarly to Example 1, it is presumed that the irradiated part was formed with carbon onions, Si particles, 3C-SiC particles, and an amorphous phase.

(比較例1)
[1. 試料の作製]
レーザーの照射強度を1013W/cm2とした以外は、実施例1と同一条件下で、3C−SiCウェハにレーザーを1パルスだけ照射した。
[2. 結果]
照射部は照射前と同様であり、実施例のような反応は生じなかった。
(Comparative Example 1)
[1. Preparation of sample]
Except for the laser irradiation intensity of 10 13 W / cm 2 , the 3C-SiC wafer was irradiated with only one pulse under the same conditions as in Example 1.
[2. result]
The irradiation part was the same as before irradiation, and the reaction as in the example did not occur.

(比較例2)
[1. 試料の作製]
レーザーは、波長:532nmのNd−YAGレーザーを用い、パルス幅:7nsec、照射径φ3mm、照射強度:2×109W/cm2とした以外は、実施例1と同一条件下で、3C−SiCウェハにレーザーを1パルスだけ照射した。
[2. 結果]
照射部には、反応が起こった痕跡は生じていたが、断面TEM観察においてはカーボンオニオンの生成は確認できなかった。
(Comparative Example 2)
[1. Preparation of sample]
The laser was an Nd-YAG laser with a wavelength of 532 nm, the pulse width was 7 nsec, the irradiation diameter was 3 mm, and the irradiation intensity was 2 × 10 9 W / cm 2. The SiC wafer was irradiated with one pulse of laser.
[2. result]
Although traces of the reaction occurred in the irradiated part, the generation of carbon onion could not be confirmed by cross-sectional TEM observation.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係るカーボンオニオン粒子分散膜及びその製造方法は、固体潤滑剤、各種電子デバイス、及びその製造方法として用いることができる。   The carbon onion particle dispersion film and the manufacturing method thereof according to the present invention can be used as a solid lubricant, various electronic devices, and a manufacturing method thereof.

高純度多結晶SiCウェハのレーザー照射部(上図)及び未照射部(下図)のラマン散乱スペクトルである。It is a Raman scattering spectrum of the laser irradiation part (upper figure) and the non-irradiation part (lower figure) of a high purity polycrystalline SiC wafer. 実施例1で得られたカーボンオニオン粒子分散膜の断面TEM像(左図)及び第1層の電子線回折図形(右図)である。It is a cross-sectional TEM image (left figure) of the carbon onion particle-dispersed film obtained in Example 1, and an electron beam diffraction pattern (right figure) of the first layer. 実施例1で得られたカーボンオニオン粒子分散膜の異なる領域(3視野)での高倍率TEM像である。4 is a high-magnification TEM image in different regions (three fields of view) of the carbon onion particle dispersion film obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られたカーボンオニオン粒子分散膜の電流(I)−電圧(V)特性である。FIG. 2 is a current (I) -voltage (V) characteristic of the carbon onion particle dispersion film obtained in Example 1. FIG. 実施例2で得られたカーボンオニオン粒子分散膜のTEM像である。3 is a TEM image of a carbon onion particle dispersion film obtained in Example 2. FIG. 実施例3で得られたカーボンオニオン粒子分散膜のSEM像である。4 is a SEM image of a carbon onion particle dispersion film obtained in Example 3.

Claims (9)

カーボンオニオン粒子と、金属粒子と、非晶質相とを含む混合層からなるカーボンオニオン粒子分散膜。   A carbon onion particle dispersion film comprising a mixed layer containing carbon onion particles, metal particles, and an amorphous phase. 前記カーボンオニオン粒子の面内数密度は、1個/0.01μm2以上である請求項1に記載のカーボンオニオン粒子分散膜。 The carbon onion particle-dispersed film according to claim 1, wherein the in-plane number density of the carbon onion particles is 1 / 0.01 μm 2 or more. 前記カーボンオニオン粒子の平均直径は、2nm以上50nm以下である請求項1又は2に記載のカーボンオニオン粒子分散膜。   The carbon onion particle dispersion film according to claim 1 or 2, wherein an average diameter of the carbon onion particles is 2 nm or more and 50 nm or less. 前記金属粒子の平均直径は、0.1nm以上1000nm以下である請求項1から3までのいずれかに記載のカーボンオニオン粒子分散膜。   The carbon onion particle dispersion film according to any one of claims 1 to 3, wherein an average diameter of the metal particles is 0.1 nm or more and 1000 nm or less. 前記金属粒子は、IVA族元素、VA族元素、VIA族元素、及びIVB族元素(Cを除く)から選ばれるいずれか1以上の元素を含む請求項1から4までのいずれかに記載のカーボンオニオン粒子分散膜。   The carbon according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal particles include one or more elements selected from an IVA group element, a VA group element, a VIA group element, and an IVB group element (excluding C). Onion particle dispersion film. 金属炭化物粒子をさらに含む請求項1から5までのいずれかに記載のカーボンオニオン粒子分散膜。   The carbon onion particle dispersion film according to any one of claims 1 to 5, further comprising metal carbide particles. 少なくともその表面に金属炭化物を含む基材の表面にパルスレーザーを照射する照射工程を備え、
前記パルスレーザーは、照射強度が5×1013W/cm2以上1017W/cm2以下であるカーボンオニオン粒子分散膜の製造方法。
Comprising an irradiation step of irradiating a surface of a substrate containing metal carbide at least on its surface with a pulsed laser;
The pulse laser is a method for producing a carbon onion particle-dispersed film having an irradiation intensity of 5 × 10 13 W / cm 2 or more and 10 17 W / cm 2 or less.
前記パルスレーザーは、パルス幅が1fsec以上100psec以下である請求項7に記載のカーボンオニオン粒子分散膜の製造方法。   The method for producing a carbon onion particle-dispersed film according to claim 7, wherein the pulse laser has a pulse width of 1 fsec to 100 psec. 前記照射工程は、1つの領域に1パルスの前記パルスレーザを照射するものである請求項7又は8に記載のカーボンオニオン粒子分散膜の製造方法。   The method for producing a carbon onion particle-dispersed film according to claim 7 or 8, wherein the irradiation step irradiates one pulse with the pulse laser.
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