JP2021104927A - ジルコニア系セラミックス - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1では、ナノレベルの微細加工を行うために、超短パルスレーザー(フェムト秒レーザー)を偏光制御して照射することにより、照射したレーザーの波長より小さいサイズの微細構造を形成する加工法が、報告されている。適切なフルエンスの範囲はアブレーション閾値からアブレーション閾値の10倍であると記載されている。この文献では、「フルエンス」(fluence)とは、レーザー光の1パルス当たりの出力エネルギーを照射断面積で割って求めた単位面積当たりのエネルギー(J/cm2)であると記載され、アブレーション閾値は、レーザーを材料表面に照射することで材料表面が蒸散する現象が生じるエネルギー密度の最小値であると記載されている。特許文献1では、超短パルスレーザーを直線偏光させて固体材料表面に照射することにより、偏光方向とは直交する方向に沿って細長い突起部からなる微細構造を形成でき、また、円偏光させて照射することにより、粒状の突起部からなる微細構造を形成できることが報告されている。微細構造のサイズは、照射するレーザーの波長と正の相関関係があり、波長より著しく小さいサイズ(1/10〜3/5)の微細構造であると報告されている。加工対象として、窒化物セラミックス(TiN)膜、アモルファスカーボン膜及びステンレス鋼の材料を試料として、表面に微細加工を行った例が記載されている。
本発明の方法は、ジルコニア系セラミックスの表面構造形成方法であって、直線偏光の超短パルスレーザー光を前記セラミックス表面に照射することにより、前記直線偏光の偏光方向に平行な縞状の凹凸を、レーザー光のスポット内に形成することを特徴とする。
本発明の方法は、ジルコニア系セラミックスの表面構造形成方法であって、円偏光の超短パルスレーザー光を前記セラミックス表面に照射することにより、網目状凸部及び点状凹部を周期的に形成することを特徴とする。
本発明の方法は、ジルコニア系セラミックスの表面構造形成方法において、レーザー光を、周期構造生成部分のみを照射可能な形状の空間制限マスクに集光し、前記形状の像を光学系に転送し、ジルコニア系セラミックス表面に照射して、前記形状の周期構造生成部分を複数個敷き詰めることを特徴とする。
本発明のジルコニア系セラミックスは、ジルコニア系セラミックス表面の、レーザー光照射スポット内に平行な縞状の凹凸の周期構造が形成されていることを特徴とする。
本発明のジルコニア系セラミックスは、ジルコニア系セラミックス表面の、レーザー光照射スポット内に網目状凸部及び点状凹部の周期構造が形成されていることを特徴とする。
Fpeak = 2・E/(πr2)
本実施の形態を図4及び5を参照して以下説明する。図4は、本実施の形態において使用するレーザー光による表面加工装置の概略図である。図4の装置は、レーザー発生装置1、パワー制御装置2、偏光状態制御装置3、ビーム整形装置4、集光レンズ5、及び照射用ステージ6を備える。パワー制御装置2は、レーザー光のパワー(単位W)、あるいはレーザー光の一パルスあたりのエネルギー(単位J))を制御する。偏光状態制御装置3は、レーザー光の、偏光方向や直線偏光か楕円偏光か円偏光という偏光状態を制御する。ビーム整形装置4は、ビーム形状とビーム内での強度分布と、ビームの進行方向を制御する。照射用ステージ6は、加工対象物を載置して、レーザー光との相対的位置(x、y、z、θ、φ)を自在に移動可能とする台である。レーザー発生装置1から出射されるレーザー光を、パワー制御装置2、偏光状態制御装置3、ビーム整形装置4、集光レンズ5等を順に介して、照射用ステージ6上の被加工物に照射する。
本実施の形態では、第1の実施の形態とは異なるレーザー光を使用した。
ジルコニア系セラミックスの表面に、直線偏光のレーザー光(Yb系KGW(KGd(WO4)2)(波長1.03ミクロン)、パルス幅200fs)を照射すると、表面に、平行な縞状の凹凸からなる微細な周期構造が形成された。レーザー光は50ショット照射した。レーザー光の直線偏光の偏光方向と縞とは平行であった。周期構造は、周期が平均およそ1.05μm/cycleであった。照射したレーザー光の波長と同程度で波長より長めの周期が観測された。使用するレーザー光が異なっても、第1の実施の形態と同様の表面構造が得られた。
本実施の形態を、図6、7、8を参照して説明する。本実施の形態では、周期構造を形成することができる最適条件などについて説明する。
本実施の形態を、図9を参照して説明する。本実施の形態では、第3の実施の形態とは波長が異なるレーザー光を使用した場合に関して、第3の実施の形態と同様に、縞状の周期構造を形成することができる最適条件について説明する。
本実施の形態を、図10及び11を参照して説明する。本実施の形態では、レーザー光の入射角度と縞状の周期構造との関係について調べた。
本実施の形態を、図12及び13を参照して説明する。本実施の形態では、レーザー光のパルス幅と縞状の周期構造との関係について調べた。本実施の形態では、レーザー光としてTiS(中心波長810nm、)を使用し、40ショット数で調べた。
本実施の形態を、図14を参照して説明する。本実施の形態では、レーザー光のパルス幅と縞状の周期構造との関係について、レーザー光としてYb系(中心波長1.03μm)を使用して調べた。
Ybの1.03μmのレーザーを、ピークフルエンス4J/cm2、一か所に20ショット、繰り返し15kHzでジルコニア系セラミックスに照射した。パルス幅200fs、500fs、1ps、2ps、5psで実施し、底面に周期構造が形成されることを確認した。
本実施の形態を、図15及び16を参照して説明する。本実施の形態では、レーザー光のショット数と縞状の周期構造との関係について調べた。本実施の形態では、レーザー光としてTiS(中心波長810nm、パルス幅80fs)を使用して調べた。フルエンスは6.6J/cm2とした。
本実施の形態を、図17を参照して説明する。本実施の形態では、第8の実施の形態とは異なる波長のレーザー光を使用して、ショット数と縞状の周期構造との関係について調べた。本実施の形態では、レーザー光としてYb系KGW(中心波長約1ミクロン、パルス幅200fs)を使用して調べた。
これまでの実施の形態では、ジルコニア系セラミックスとして、具体的には3mol%Y2O3ジルコニアを使用して形成加工の計測を行ったものを示したが、他の組成でも、同様の結果を示すことを確認した。4mol%、8mol%、10mol%のY2O3を含むジルコニア(それぞれ、4Y、8Y、10Yと呼ぶ)、3mol%のY2O3と20%のAl2O3を含むジルコニア(3Y20Aと呼ぶ)に対し、直線偏光のレーザー光(中心波長810nm、パルス幅100fs、繰り返し560Hz)を、ピークフルエンス6.9J/cm2で40ショット照射した。いずれの場合にも直線偏光の偏光方向に平行な縞状の周期構造が観測された。観測された構造の周期は、4Y、8Y、10Yに対して、900nm−910nm程度であった。また、3Y20Aに対して、約940nmであった。3Y、4Y、8Y、10Y、3Y20Aの順にエッチレートが大きくなる傾向が見られた。
本実施の形態では、レーザー光による表面加工装置において、ビームの強度分布を均一化する光学素子を設けてレーザー光を照射した場合について説明する。
レーザー光照射の空間分布は、図2に示したように、ガウス分布であるが、ビームの強度分布を均一化する光学素子を設けて、ビームの強度分布が均一化されたレーザー光を照射した場合、穴の深さが照射部分でほぼ均一となり、アブレーションされた底面の90%以上の領域に周期構造が形成された。
本実施の形態では、縞状の周期構造を大面積化する方法について説明する。
2 パワー制御装置
3 偏光状態制御装置
4 ビーム整形装置
5 集光レンズ
6 照射用ステージ
Claims (4)
- ジルコニア系セラミックス表面の、レーザー光照射スポット内に平行な縞状の凹凸の周期構造が形成されており、前記ジルコニア系セラミックス表面は2%以下の単斜晶系ジルコニアを含む正方晶系ジルコニアであることを特徴とするジルコニア系セラミックス。
- 前記平行な縞状の凹凸の周期構造が内部に形成されたレーザー光照射スポットが、いくらかの重なりを持って、あるいは隣り合う位置又はそれ以上間隔をあけて複数存在し、これにより大面積化された前記凹凸の周期構造を有する請求項1に記載されたジルコニア系セラミックス。
- 前記ジルコニア系セラミックスが球面の3次元平面を有し、前記3次元平面上に、形状が調整された前記レーザー光照射スポットが、いくらかの重なりを持って、あるいは隣り合う位置又は隣り合う位置以上の間隔をあけて複数存在し、前記複数存在することにより大面積化された前記凹凸の周期構造を有する請求項2に記載されたジルコニア系セラミックス。
- 前記球面の3次元平面を有するジルコニア系セラミックスであって、
レーザー光の形状が、三角形、四角形、五角形、六角形又は楕円であることで前記レーザー光照射スポットの形状が三角形、四角形、五角形、六角形又は楕円であることを特徴とする大面積化された前記凹凸の周期構造を有する請求項3に記載されたジルコニア系セラミックス。
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