JP2011148686A - 配向性非晶質炭素膜およびその形成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】配向性非晶質炭素膜は、Cを主成分とし、Nを3〜20原子%、Hを0原子%を超え20原子%以下含み、かつ、Cの全体量を100原子%としたときにsp2混成軌道をもつ炭素(Csp2)が70原子%以上100原子%未満であって、グラファイトの(002)面が厚さ方向に沿って配向する。この膜は、Csp2を含む炭素環式化合物ガスならびにCsp2と窒素および/または珪素とを含む含窒素複素環式化合物ガスから選ばれる一種以上の化合物ガスと窒素ガスとを含む反応ガスを1500V以上で放電させる直流プラズマCVD法により形成できる。
【選択図】図1
Description
グラファイトの(002)面が厚さ方向に沿って配向することを特徴とする。
前記基材を反応容器内に配置し、該反応容器内に、sp2混成軌道をもつ炭素を含む炭素環式化合物ガスならびにsp2混成軌道をもつ炭素と窒素および/または珪素とを含む含窒素複素環式化合物ガスから選ばれる一種以上の化合物ガスと窒素ガスとを含む反応ガスを導入して1500V以上で放電することを特徴とする。
本発明の配向性非晶質炭素膜は、炭素(C)を主成分とし、窒素(N)を3〜20at%、水素(H)を0at%を超え20at%以下含み、かつ、該炭素の全体量を100at%としたときにsp2混成軌道をもつ炭素量(Csp2量)が70at%以上100at%未満である。
ここで、I002、I100、I002’およびI100’は、それぞれ、非晶質炭素膜をX線回折測定して得られるピーク強度である。I002は(002)面からの面内回折ピーク強度、I100は(001)面からの面内回折ピーク強度、I002’は(002)面からの面外回折ピーク強度、I100’は(100)面からの面外回折ピーク強度、である。いずれも、(002)面または(100)面の回折ピークが見られる角度(2θ)付近での最大強度である。配向性非晶質炭素膜の配向指数Dは、9以上、10以上、20以上、30以上、50以上さらには500以上であるのが好ましい。配向指数Dの上限値に特に規定はないが、1000以下さらには800以下が好ましい。
このとき、ブラッグの式から算出された(002)面の平均面間隔が0.34〜0.50nmであるのが好ましい。(002)面の平均面間隔が0.50nm以下であれば、面間隔が狭くなることにより、面間でのπ電子の相互作用が増大するとともに、導電性が向上する。なお、グラファイトの(002)面の平均面間隔は、0.34nmである。
以上説明した本発明の配向性非晶質炭素膜は、直流プラズマCVD法により成膜することができる。直流方式を採用することで、配向性の高い非晶質炭素膜を形成することができる。また、直流プラズマCVD法であれば、反応ガス濃度を高くして、成膜圧力を100Pa以上としても、安定した放電が得られるという利点がある。
本発明の配向性非晶質炭素膜は、各種導性電部材に好適である。導電性部材は、基材と、該基材の少なくとも一部に形成された上記本発明の配向性非晶質炭素膜と、からなる。
図4に示すように、PCVD成膜装置9は、円筒形状の本体部をもつステンレス鋼製のチャンバー90と、基台91と、ガス導入管92およびガス導出管93と、高電圧電源装置99と、を備える。ガス導入管92は、バルブ(図略)を介して各種ガスボンベ(図略)に接続される。ガス導出管93は、バルブ(図略)を介してロータリーポンプ(図略)および拡散ポンプ(図略)に接続される。
上記のPCVD成膜装置を用いて、基材(冷間圧延鋼板:SPCC)の表面に配向性の非晶質炭素膜を形成し、導電性部材#01を作製した。
反応ガスを導入後の直流電圧を2000V(電流:0.35A)とした他は、実施例1と同様にして、導電性部材#02を作製した。なお、成膜中の基材の表面温度は、350℃であった。
反応ガスとしてピリジンガスおよび窒素ガスに加えてテトラメチルシラン(TMS)を用い、反応ガスを導入後の直流電圧を3000V(電流:0.35A)とし、実施例1と同様にして、導電性部材#03を作製した。なお、成膜中の基材の表面温度は、400℃であった。
上記のPCVD成膜装置を用いて、基材(冷間圧延鋼板:SPCC)の表面に配向性の非晶質炭素膜を形成し、導電性部材#04を作製した。
反応ガスを導入後の直流電圧を1000V(電流:0.2A)とした他は、実施例1と同様にして、導電性部材#R1を作製した。なお、成膜中の基材の表面温度は、280℃であった。
市販のアークイオンプレーティング(AIP)装置を用い、基材の表面に厚さ1μmの非晶質炭素膜を形成し、比較部材#C1を作製した。成膜条件は、表1に示すようにした。
市販の高周波スパッタリング装置を用い、基材の表面に厚さ3μmの非晶質炭素膜を形成し、比較部材#C2を作製した。成膜条件は、表1に示すようにした。
市販の高周波プラズマCVD装置を用い、基材の表面に厚さ2μmの非晶質炭素膜を形成し、比較部材#C3を作製した。成膜条件は、表1に示すようにした。
導電性部材#01〜#04、#R1および比較部材#C1〜#C3を試料として用い、非晶質炭素膜の膜組成、膜密度、導電性および配向性を評価した。以下に、評価方法を説明するとともに、その結果を示す。
各試料の非晶質炭素膜の膜組成の測定結果を表2に示す。非晶質炭素膜中のC、NおよびSi含有量は、電子プローブ微小部分析法(EPMA)、X線光電子分光法(XPS)、オージェ電子分光法(AES)、ラザフォード後方散乱法(RBS)により定量した。また、H含有量は、弾性反跳粒子検出法(ERDA)により定量した。ERDAは、2MeVのヘリウムイオンビームを膜表面に照射して、膜からはじき出される水素を半導体検出器により検出し、膜中の水素濃度を測定する方法である。また、Csp2量およびCsp3量は、既に詳説したNMRスペクトルにより定量した。
各部材の導電性を評価するために、体積抵抗と接触抵抗を測定した。
各試料に対してX線回折測定を行い、配向指数を求めた。
BG=a+(bx2+cx+d)/(ex2+fx+g)
ここで、a〜gは任意の定数、xはq値(単位:nm−1,d値の逆数であって、d値は、2dsinθ=nλの回折条件(Braggの法則)を満たす値)である。次の三つの条件を同時に満たすa〜gを、マイクロソフト社製エクセル(登録商標)のソルバー機能を用いて算出した。
II.(sig.−BG)>0 ここでsig.は生データ。
III.q値が、x<2かつx>9.5の範囲において、(sig.−BG)が最小となる。
ここで、面内回折について、rlは配向指数rであって、r=1:無配向状態、r<1:c面配向、r>1:a面配向、I1:I002、I2:I100、である。面外回折について、rlは配向指数r’であって、r’=1:無配向状態、r’<1:c面配向、r’>1:a面配向、I1:I002’、I2:I100’、である。配向指数rおよびr’を、表4に示した。
面内回折の強度比から算出した配向指数rは、1.1〜1.5の範囲にあり、いずれの試料のr値も1に近い値であった。一方、面外回折の強度比から算出した配向指数r’については、試料#R1はNを含む非晶質炭素膜を備えるが、配向指数r’はほぼ無配向状態を示す1.4であった。また、試料#01〜#04の配向指数r’は、2.2〜5程度、つまり2以上であった。r’≧2では、表面に対して平行な面にa面が優先的に配向しており、表面に対して平行なc面が少ない状態を示す。つまりこれは、基材の表面に対して直交した方向には、c面が配向している状態を示す。さらに、#01〜#04では、配向指数Dも9以上の高い値を示した。よって、試料#01〜#04は、(002)面が膜の厚さ方向に高配向している配向性非晶質炭素膜を備えると言える。
Claims (9)
- 炭素(C)を主成分とし、窒素(N)を3〜20原子%、水素(H)を0原子%を超え20原子%以下含み、かつ、該炭素の全体量を100原子%としたときにsp2混成軌道をもつ炭素量が70原子%以上100原子%未満であって、
グラファイトの(002)面が厚さ方向に沿って配向することを特徴とする配向性非晶質炭素膜。 - さらに、珪素(Si)を0原子%を超え1原子%以下含む請求項1記載の配向性非晶質炭素膜。
- 2Hグラファイトの粉末X線回折シミュレーションを、(002)面配向状態から無配向状態を経て(100)面配向状態に至るまでの選択配向パラメータrlに対して行い、回折パターンとrl値との関係を求め、
X線回折法により測定された面内回折のグラファイトの(002)面の強度をI002、面内回折のグラファイトの(100)面の強度をI100、面外回折のグラファイトの(002)面の強度をI002’、面外回折のグラファイトの(100)面の強度をI100’、としたときに、
前記粉末X線回折シミュレーションから求めた回折パターンとrl値との関係から算出される「I002/I100」に対する配向指数rが0.9〜1.6、かつ、「I002’/I100’」に対する配向指数r’が2以上である請求項1または2記載の配向性非晶質炭素膜。 - X線回折法により測定された面内回折のグラファイトの(002)面の強度をI002、面内回折のグラファイトの(100)面の強度をI100、面外回折のグラファイトの(002)面の強度をI002’、面外回折のグラファイトの(100)面の強度をI100’、としたときに、(I002/I100)/(I002’/I100’)で求められる配向指数が9以上である請求項1または2記載の配向性非晶質炭素膜。
- 体積抵抗率が10−1Ω・cm以下である請求項1〜4のいずれかに記載の配向性非晶質炭素膜。
- 直流プラズマCVD法により、基材の表面に請求項1〜5のいずれかに記載の配向性非晶質炭素膜を形成する方法であって、
前記基材を反応容器内に配置し、該反応容器内に、sp2混成軌道をもつ炭素を含む炭素環式化合物ガスならびにsp2混成軌道をもつ炭素と窒素および/または珪素とを含む含窒素複素環式化合物ガスから選ばれる一種以上の化合物ガスと窒素ガスとを含む反応ガスを導入して1500V以上で放電することを特徴とする配向性非晶質炭素膜の形成方法。 - 前記含窒素複素環式化合物は、ピリジン、ピラジンおよびピロールから選ばれる一種以上である請求項6記載の配向性非晶質炭素膜の形成方法。
- 基材と、該基材の少なくとも一部に形成された請求項1〜5のいずれかに記載の配向性非晶質炭素膜と、からなることを特徴とする配向性非晶質炭素膜を備えた導電性部材。
- 金属製の基材と、該基材の少なくとも電極に対向する表面を覆う非晶質炭素膜と、からなる燃料電池用セパレータであって、
前記非晶質炭素膜は、請求項1〜5のいずれかに記載の配向性非晶質炭素膜であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
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