JP6819093B2 - Material manufacturing equipment and material manufacturing method - Google Patents

Material manufacturing equipment and material manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP6819093B2
JP6819093B2 JP2016128355A JP2016128355A JP6819093B2 JP 6819093 B2 JP6819093 B2 JP 6819093B2 JP 2016128355 A JP2016128355 A JP 2016128355A JP 2016128355 A JP2016128355 A JP 2016128355A JP 6819093 B2 JP6819093 B2 JP 6819093B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
treated
sacrificial layer
material manufacturing
peak
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016128355A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2018001068A (en
Inventor
河口 紀仁
紀仁 河口
一馬 秋久保
一馬 秋久保
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IHI Corp filed Critical IHI Corp
Priority to JP2016128355A priority Critical patent/JP6819093B2/en
Publication of JP2018001068A publication Critical patent/JP2018001068A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6819093B2 publication Critical patent/JP6819093B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Description

本発明は、レーザを照射して材料を製造する材料製造装置、および、材料製造方法に関する。 The present invention relates to a material manufacturing apparatus that irradiates a laser to manufacture a material, and a material manufacturing method.

従来、対象物質に超高圧(例えば、10万〜20万気圧程度)を印加するとともに、高温(例えば、1000℃〜1500℃程度)に加熱して、対象物質を相転移させて材料を製造するダイアモンドアンビルセルが知られている。しかし、ダイアモンドアンビルセルは、超高圧状態かつ高温状態に到達するまでに長時間を有するため、材料を大量生産できない。 Conventionally, an ultrahigh pressure (for example, about 100,000 to 200,000 atm) is applied to a target substance, and the target substance is heated to a high temperature (for example, about 1000 ° C. to 1500 ° C.) to undergo a phase transition of the target substance to produce a material. Diamond anvil cells are known. However, diamond anvil cells cannot mass-produce materials because they have a long time to reach an ultrahigh pressure state and a high temperature state.

そこで、近年、ナノ秒オーダーのパルス幅のレーザ光を照射するレーザ照射装置を複数台用いて、対象物質を相転移させる技術が開発されている(例えば、非特許文献1)。非特許文献1の技術では、各レーザ照射装置がレーザ光を照射する時間を異ならせることで、対象物質に段階的にレーザ光を照射する。そうすると、対象物質に段階的に圧力が印加されることになるため、対象物質の温度上昇が緩やかになり、対象物質が溶融(もしくはガス化)することなく(Hugoniot曲線に沿うことなく)対象物質を相転移(固相間相転移)させることが可能となる。 Therefore, in recent years, a technique for phase-transitioning a target substance by using a plurality of laser irradiation devices that irradiate laser light having a pulse width on the order of nanoseconds has been developed (for example, Non-Patent Document 1). In the technique of Non-Patent Document 1, each laser irradiating device irradiates the target substance with the laser beam stepwise by varying the time for irradiating the laser beam. Then, since pressure is gradually applied to the target substance, the temperature rise of the target substance becomes slow, and the target substance does not melt (or gasify) and does not follow the Hugoniot curve (without following the Hugoniot curve). Can be subjected to a phase transition (phase transition between solid phases).

重森啓介、高強度レーザー誘起衝撃波による金属炭素生成の可能性、高圧力の科学と技術Vol.16,NO.3(2006)Keisuke Shigemori, Possibility of Metallic Carbon Generation by High Intensity Laser-Induced Shock Wave, High Pressure Science and Technology Vol.16, NO.3 (2006)

しかし、上述した非特許文献1に記載された技術では、複数台のレーザ照射装置が必要となるため、工業的に材料を製造するにはコストがかかりすぎるという問題がある。 However, the technique described in Non-Patent Document 1 described above requires a plurality of laser irradiation devices, and therefore has a problem that it is too costly to industrially manufacture a material.

そこで本発明は、このような課題に鑑み、低コストで材料を製造することが可能な材料製造装置、および、材料製造方法を提供することを目的としている。 Therefore, in view of such a problem, an object of the present invention is to provide a material manufacturing apparatus capable of manufacturing a material at low cost and a material manufacturing method.

上記課題を解決するために、本発明の材料製造装置は、カーボンナノウォール、カーボンナノチューブ、および、グラフェンのうちのいずれか1の可飽和吸収体を含んで構成される犠牲層が積層された被処理層に、ピコ秒以下のパルス幅のレーザ光を照射するパルスレーザ照射部を備え、
被処理層を構成する材料を相転移させる。
In order to solve the above problems, in the material manufacturing apparatus of the present invention, a sacrificial layer composed of a saturable absorber of any one of carbon nanowalls, carbon nanotubes, and graphene is laminated. The processing layer is provided with a pulse laser irradiation unit that irradiates a laser beam having a pulse width of picoseconds or less.
The material constituting the layer to be treated is undergoing a phase transition.

また、所定のガス、または、所定の液体を保持し、該所定のガス中、または、該所定の液体中に、前記犠牲層が積層された被処理層が配される保持部を備えるとしてもよい。 Further, even if it is provided with a holding portion that holds a predetermined gas or a predetermined liquid and arranges a layer to be treated in which the sacrificial layer is laminated in the predetermined gas or the predetermined liquid. Good.

また、前記犠牲層は、前記可飽和吸収体が、樹脂またはガラスに埋設されてなるとしてもよい。 Further, the sacrificial layer is pre-listen saturable absorber may be formed by embedding in a resin or glass.

上記課題を解決するために、本発明の材料製造方法は、被処理層に、カーボンナノウォール、カーボンナノチューブ、および、グラフェンのうちのいずれか1の可飽和吸収体を含んで構成される犠牲層を積層する工程と、犠牲層が積層された被処理層に、ピコ秒以下のパルス幅のレーザ光を照射する工程と、を含み、被処理層を構成する材料を相転移させた材料を製造する。
In order to solve the above problems, in the material manufacturing method of the present invention, a sacrificial layer composed of a layer to be treated containing a saturable absorber of any one of carbon nanowalls, carbon nanotubes, and graphene. A step of irradiating a layer to be treated with a laminated sacrificial layer with a laser beam having a pulse width of picoseconds or less is included, and a material having a phase transition of the materials constituting the layer to be treated is manufactured. To do.

また、前記犠牲層を積層する工程を遂行した後、前記レーザ光を照射する工程を遂行する前に、所定のガス中、または、所定の液体中に、前記犠牲層が積層された被処理層を配する工程を含んでもよい。 Further, after performing the step of laminating the sacrificial layer and before carrying out the step of irradiating the laser beam, the layer to be treated in which the sacrificial layer is laminated in a predetermined gas or a predetermined liquid. May include the step of arranging.

また、前記レーザ光を照射する工程を遂行した後、前記犠牲層を除去する工程を含んでもよい。 Further, a step of removing the sacrificial layer after performing the step of irradiating the laser beam may be included.

本発明によれば、低コストで材料を製造することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to manufacture a material at low cost.

材料製造装置を説明する図である。It is a figure explaining the material manufacturing apparatus. 材料製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the process flow of the material manufacturing method. GaNのSEM像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of GaN. GaNのXPSの解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of XPS of GaN. サファイアのSEM像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of sapphire. サファイアのXPSの解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of XPS of sapphire. SOSのXPSの解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of XPS of SOS.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, other specific numerical values, etc. shown in the embodiment are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are designated by the same reference numerals to omit duplicate description, and elements not directly related to the present invention are not shown. To do.

(材料製造装置100)
図1は、材料製造装置100を説明する図であり、図1(a)は材料製造装置100の具体的な構成例を示す図であり、図1(b)はレーザ光の照射による被処理層140の変化について説明する図である。なお、図1中、理解を容易にするために、保持部102および被処理材料120を、パルスレーザ照射部110に比して大きく示す。
(Material manufacturing equipment 100)
1A and 1B are views for explaining the material manufacturing apparatus 100, FIG. 1A is a diagram showing a specific configuration example of the material manufacturing apparatus 100, and FIG. 1B is a diagram to be processed by irradiation with a laser beam. It is a figure explaining the change of a layer 140. In FIG. 1, in order to facilitate understanding, the holding portion 102 and the material to be processed 120 are shown larger than the pulsed laser irradiation portion 110.

図1(a)に示すように、材料製造装置100は、保持部102と、パルスレーザ照射部110とを含んで構成される。保持部102は、例えば、チャンバ等で構成され、内部に所定のガスを保持する。そして、保持部102内に後述する被処理材料120が設置され、所定のガス中に後述する被処理材料120が配されることとなる。ここで、所定のガスは、空気(大気)、窒素、アルゴン等である。また、保持部102には、レーザ光を透過する窓102aが設けられており、窓102aを介してレーザ光が被処理材料120に照射されることとなる。 As shown in FIG. 1A, the material manufacturing apparatus 100 includes a holding unit 102 and a pulsed laser irradiation unit 110. The holding portion 102 is composed of, for example, a chamber or the like, and holds a predetermined gas inside. Then, the material 120 to be treated, which will be described later, is installed in the holding portion 102, and the material 120 to be treated, which will be described later, is arranged in a predetermined gas. Here, the predetermined gas is air (atmosphere), nitrogen, argon, or the like. Further, the holding portion 102 is provided with a window 102a that transmits the laser light, and the laser light is irradiated to the material 120 to be processed through the window 102a.

保持部102を有する構成により、後述するレーザ光を照射する際の被処理材料120の雰囲気を、所定のガスの雰囲気、および、所定の圧力(所定のガス密度)に調整することが可能となる。また、保持部102は、所定の液体(例えば、水)中に被処理材料120が配されるように、ガスのみならず、所定の液体を保持してもよい。 The configuration having the holding portion 102 makes it possible to adjust the atmosphere of the material to be processed 120 when irradiating the laser beam described later to a predetermined gas atmosphere and a predetermined pressure (predetermined gas density). .. Further, the holding unit 102 may hold not only the gas but also the predetermined liquid so that the material 120 to be treated is arranged in the predetermined liquid (for example, water).

パルスレーザ照射部110は、被処理材料120に、ピコ秒以下(ピコ(10−12)秒オーダー、フェムト(10−15)秒オーダー、アト(10−18)秒オーダーを含む)のパルス幅のレーザ光を照射する。 Pulse laser irradiation unit 110 is, material to be treated 120, following picoseconds pulse width (pico (10 -12) second order, femto (10 -15) second order, atto (10 -18) seconds including the order) Irradiate the laser beam.

被処理材料120は、基体130、被処理層140、犠牲層150がこの順で積層されたものである。基体130は、被処理層140より熱伝導率が大きい材料(例えば、サファイア(Al))で構成される。 The material 120 to be treated is a material in which the substrate 130, the layer 140 to be treated, and the sacrificial layer 150 are laminated in this order. The substrate 130 is made of a material having a higher thermal conductivity than the layer 140 to be treated (for example, sapphire (Al 2 O 3 )).

被処理層140は、材料製造装置100が製造する材料の前駆体であり、例えば、炭素(C)、シリコン(Si)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、サファイア等の固体や、イオン注入によってイオン(例えば、H、H 、Ar、H等)が注入された固体である。 The layer 140 to be treated is a precursor of a material manufactured by the material manufacturing apparatus 100, and is, for example, a solid such as carbon (C), silicon (Si), gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), or sapphire. ions by ion implantation (e.g., H +, H 2 +, Ar +, H 2 S + , etc.) is injected solid.

犠牲層150は、ナノ構造の可飽和吸収体を含んで構成され、例えば、カーボンナノウォール(CNW)、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェン等のカーボンのナノ構造体や、半導体のナノ構造体等のバンドギャップを有する材料のナノ構造体で構成される。 The sacrificial layer 150 is configured to include a nanostructured saturable absorber, for example, carbon nanostructures such as carbon nanowalls (CNW), carbon nanotubes (CNT), graphene, and semiconductor nanostructures. It is composed of nanostructures of materials with band gaps.

図1(a)に示すように、本実施形態においてパルスレーザ照射部110は、犠牲層150を介して被処理層140にレーザ光を照射する。そうすると、被処理層140に、衝撃波の圧力と、被処理層140のアブレーションによって生じるプラズマの圧力と(合計で数百GPa程度の超高圧)が印加されることとなる。 As shown in FIG. 1A, in the present embodiment, the pulsed laser irradiation unit 110 irradiates the processed layer 140 with laser light via the sacrificial layer 150. Then, the pressure of the shock wave and the pressure of the plasma generated by the ablation of the layer 140 to be treated (ultra-high pressure of about several hundred GPa in total) are applied to the layer 140 to be treated.

具体的に説明すると、図1(b)に示すように、パルスレーザ照射部110が犠牲層150にレーザ光を照射すると、犠牲層150を構成する可飽和吸収体によってレーザ光の一部が吸収され、残りのレーザ光は、犠牲層150を透過(通過)する。 Specifically, as shown in FIG. 1B, when the pulsed laser irradiation unit 110 irradiates the sacrificial layer 150 with the laser beam, a part of the laser beam is absorbed by the saturable absorber constituting the sacrificial layer 150. The remaining laser light is transmitted (passed) through the sacrificial layer 150.

したがって、吸収されたレーザ光により犠牲層150のアブレーションが生じる。アブレーションが生じることにより、犠牲層150を構成する原子(または分子)のプラズマが生成され、プラズマによって衝撃波が生じる。そして、この衝撃波により被処理層140に圧力が印加されることとなる(図1(b)中、黒い塗りつぶしの矢印で示す)。 Therefore, the absorbed laser light causes ablation of the sacrificial layer 150. When ablation occurs, plasma of atoms (or molecules) constituting the sacrificial layer 150 is generated, and the plasma generates a shock wave. Then, a pressure is applied to the layer to be processed 140 by this shock wave (indicated by a black-filled arrow in FIG. 1 (b)).

なお、上記したように、犠牲層150はナノ構造体で構成されることから、犠牲層150においてレーザ光が深く入射される。このため、犠牲層150において、実質的に均一にプラズマが発生することとなる。これにより、強いプラズマが発生し、高い圧力を被処理層140に印加することが可能となる。 As described above, since the sacrificial layer 150 is composed of nanostructures, the laser beam is deeply incident on the sacrificial layer 150. Therefore, plasma is generated substantially uniformly in the sacrificial layer 150. As a result, strong plasma is generated, and high pressure can be applied to the layer to be processed 140.

また、犠牲層150をカーボンのナノ構造体で構成することにより、レーザ光のエネルギーを高くすることができ、他のナノ構造体で構成される犠牲層150と比較して、強いプラズマを発生させることが可能となる。これは、カーボンのナノ構造体の融点、および、蒸発点が、他のナノ構造体よりも高温であることによる。 Further, by forming the sacrificial layer 150 with carbon nanostructures, the energy of the laser beam can be increased, and a stronger plasma is generated as compared with the sacrificial layer 150 composed of other nanostructures. It becomes possible. This is because the melting point and evaporation point of carbon nanostructures are higher than those of other nanostructures.

一方、犠牲層150を透過したレーザ光は、被処理層140を構成する原子(または分子)を励起させてアブレーション(プラズマを発生)させる。これにより、被処理層140が高圧(図1(b)中、白抜きの矢印で示す)、かつ、高温となる。つまり、被処理層140は、原子の励起による圧力上昇と、犠牲層150からの衝撃波による圧力印加とが合わさって、数百GPa程度の超高圧となる。 On the other hand, the laser light transmitted through the sacrificial layer 150 excites the atoms (or molecules) constituting the layer to be treated 140 to ablate (generate plasma). As a result, the layer 140 to be treated becomes high pressure (indicated by a white arrow in FIG. 1B) and high temperature. That is, the pressure rise in the layer 140 to be treated due to the excitation of atoms and the pressure application due to the shock wave from the sacrificial layer 150 combine to achieve an ultrahigh pressure of about several hundred GPa.

また、被処理層140では、超高圧、高温環境下で原子の励起状態を維持することができるため、被処理層140を構成する材料の相転移(固相間相転移、構造相転移)が為されることとなる。 Further, in the layer 140 to be treated, the excited state of atoms can be maintained under an ultrahigh pressure and high temperature environment, so that the phase transition (phase transition between solid phases, structural phase transition) of the materials constituting the layer 140 to be treated occurs. It will be done.

以上説明したように、ナノ構造の可飽和吸収体を含んで構成される犠牲層150を介して被処理層140にレーザ光を照射するだけといった簡易な構成で、被処理層140を相転移させる(相転移させた材料を製造する)ことができる。 As described above, the processed layer 140 is phase-translated with a simple configuration in which the processed layer 140 is simply irradiated with a laser beam via a sacrificial layer 150 composed of a nanostructured saturable absorber. (Manufactures a material with a phase transition).

例えば、水素イオンを注入した固体で被処理層140を構成することにより、固体金属水素を製造できる可能性がある。また、アルゴンイオンを注入した固体で被処理層140を構成することにより、固体金属アルゴンを製造できる可能性がある。さらに、硫化水素イオンを注入した固体で被処理層140を構成することにより、固体金属硫化水素を製造できる可能性がある。したがって、材料製造装置100は、固体金属水素や、固体金属アルゴン、固体金属硫化水素といった超電導物質を製造できる可能性がある。また、炭素で被処理層140を構成することにより、スーパーダイヤモンドを製造できる可能性がある。 For example, there is a possibility that solid metallic hydrogen can be produced by forming the layer 140 to be treated with a solid injected with hydrogen ions. In addition, there is a possibility that solid metal argon can be produced by forming the layer 140 to be treated with a solid injected with argon ions. Further, by forming the layer 140 to be treated with a solid injected with hydrogen sulfide ions, there is a possibility that solid metal hydrogen sulfide can be produced. Therefore, the material manufacturing apparatus 100 may be able to manufacture superconducting substances such as solid metallic hydrogen, solid metallic argon, and solid metal hydrogen sulfide. Further, by forming the layer 140 to be treated with carbon, there is a possibility that super diamond can be produced.

このように、本実施形態にかかる材料製造装置100によれば、超電導物質、半導体材料等、新規の物質を製造できる可能性がある。 As described above, according to the material manufacturing apparatus 100 according to the present embodiment, there is a possibility that a new substance such as a superconducting substance or a semiconductor material can be manufactured.

また、犠牲層150をカーボンナノウォールやカーボンナノチューブで構成することにより、被処理層140に対して所望する相転移を起こさせることが可能となる。具体的に説明すると、カーボンナノウォールやカーボンナノチューブは、高さ(厚み)を変えることでレーザ光の透過率を制御することができる(犠牲層150におけるレーザ光の吸収量と透過量との比を制御できる)。例えば、犠牲層150の厚みを厚くして、高いエネルギーのレーザ光を照射することで、被処理層140の圧力をより高圧にする。 Further, by forming the sacrificial layer 150 with carbon nanowalls or carbon nanotubes, it is possible to cause a desired phase transition with respect to the layer to be treated 140. Specifically, carbon nanowalls and carbon nanotubes can control the transmittance of laser light by changing the height (thickness) (ratio of the amount of laser light absorbed by the sacrificial layer 150 to the amount of transmitted light). Can be controlled). For example, by increasing the thickness of the sacrificial layer 150 and irradiating it with a high-energy laser beam, the pressure of the layer to be treated 140 is made higher.

したがって、犠牲層150の厚みと、パルスレーザ照射部110によって照射されるレーザ光のエネルギーとを制御することで、目的の物質に相転移させるための圧力と温度に被処理層140を維持することが可能となる。 Therefore, by controlling the thickness of the sacrificial layer 150 and the energy of the laser beam irradiated by the pulsed laser irradiation unit 110, the layer 140 to be processed is maintained at the pressure and temperature for phase transition to the target substance. Is possible.

また、犠牲層150をカーボンナノウォールで構成することにより、被処理層140の材質に拘らず、プラズマCVD装置等によって、被処理層140に犠牲層150を製膜(積層)することができる。 Further, by forming the sacrificial layer 150 with carbon nanowalls, the sacrificial layer 150 can be formed (laminated) on the processed layer 140 by a plasma CVD device or the like regardless of the material of the processed layer 140.

また、ナノ構造の可飽和吸収体が、樹脂(例えば、ポリイミド)またはガラスに埋設されたフィルムで、犠牲層150を構成してもよい。これにより、被処理層140に犠牲層150を製膜できない場合(例えば、被処理層140をプラズマCVD装置で高温の環境下に曝すと被処理層140が破壊される場合(例えば、イオンが注入された固体)等)であっても、犠牲層150を被処理層140に載置するだけで、犠牲層150を被処理層140に積層することが可能となる。また、被処理層140を部分的に相転移させたい場合には、相転移させたい箇所にのみ犠牲層150を載置すればよい。ナノ構造の可飽和吸収体が、樹脂またはガラスに埋設されたフィルムは、既存の技術(例えば、特開2015−118348号公報)によって製造できるため、ここでは、詳細な説明は省略する。 Moreover, the sacrificial layer 150 may be formed by a film in which a saturable absorber having a nanostructure is embedded in a resin (for example, polyimide) or glass. As a result, when the sacrificial layer 150 cannot be formed on the layer 140 to be treated (for example, when the layer 140 to be treated is exposed to a high temperature environment with a plasma CVD device, the layer 140 to be treated is destroyed (for example, ions are injected). Even if it is a solid) or the like), the sacrificial layer 150 can be laminated on the treated layer 140 simply by placing the sacrificial layer 150 on the treated layer 140. Further, when it is desired to partially undergo a phase transition of the layer 140 to be treated, the sacrificial layer 150 may be placed only at a position where the phase transition is desired. Since a film in which a saturable absorber having a nanostructure is embedded in a resin or glass can be produced by an existing technique (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-118348), detailed description thereof will be omitted here.

(材料製造方法)
続いて、上記材料製造装置100を用いた材料製造方法について説明する。図2は、材料製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。
(Material manufacturing method)
Subsequently, a material manufacturing method using the material manufacturing apparatus 100 will be described. FIG. 2 is a flowchart illustrating a processing flow of the material manufacturing method.

図2に示すように、材料製造方法は、積層工程S110と、雰囲気調整工程S120と、レーザ光照射工程S130と、除去工程S140とを含んで構成される。 As shown in FIG. 2, the material manufacturing method includes a laminating step S110, an atmosphere adjusting step S120, a laser beam irradiation step S130, and a removing step S140.

(積層工程S110)
積層工程S110は、被処理層140に犠牲層150を積層する工程である。積層工程S110は、例えば、上記したように、プラズマCVD装置によって犠牲層150を被処理層140に製膜する工程である。また、犠牲層150がフィルムである場合、積層工程S110は、犠牲層150を被処理層140に載置する工程である。なお、この場合、接着剤を介して被処理層140に犠牲層150(フィルム)を積層してもよい。
(Laminating step S110)
The laminating step S110 is a step of laminating the sacrificial layer 150 on the layer to be treated 140. The laminating step S110 is, for example, a step of forming the sacrificial layer 150 into the layer to be processed 140 by the plasma CVD apparatus as described above. When the sacrificial layer 150 is a film, the laminating step S110 is a step of placing the sacrificial layer 150 on the layer to be treated 140. In this case, the sacrificial layer 150 (film) may be laminated on the layer to be treated 140 via an adhesive.

(雰囲気調整工程S120)
雰囲気調整工程S120は、被処理材料120を保持部102に収容した後、保持部102に所定のガスを供給して、被処理材料120の雰囲気(ガス種、圧力)を調整する工程である。こうして、所定のガス雰囲気中に被処理材料120が配されることとなる。
(Atmosphere adjustment step S120)
The atmosphere adjusting step S120 is a step of adjusting the atmosphere (gas type, pressure) of the material 120 to be processed by supplying a predetermined gas to the holding unit 102 after accommodating the material 120 to be processed in the holding unit 102. In this way, the material 120 to be treated is arranged in a predetermined gas atmosphere.

雰囲気調整工程S120を遂行することにより、後述するレーザ光照射工程S130においてレーザ光を照射する際の被処理材料120の雰囲気を調整することができる。したがって、後述するレーザ光照射工程S130を遂行して所望の材料を製造することができたり、製造される材料の製造効率を向上させたりすることが可能となる。 By carrying out the atmosphere adjusting step S120, it is possible to adjust the atmosphere of the material 120 to be treated when irradiating the laser beam in the laser light irradiation step S130 described later. Therefore, it is possible to carry out the laser light irradiation step S130, which will be described later, to manufacture a desired material, and to improve the manufacturing efficiency of the manufactured material.

(レーザ光照射工程S130)
レーザ光照射工程S130は、パルスレーザ照射部110が、犠牲層150を介して被処理層140に、ピコ秒以下のパルス幅のレーザ光を照射する工程である。
(Laser light irradiation step S130)
The laser light irradiation step S130 is a step in which the pulsed laser irradiation unit 110 irradiates the processed layer 140 with the laser light having a pulse width of picoseconds or less via the sacrificial layer 150.

(除去工程S140)
除去工程S140は、犠牲層150を被処理層140から除去する工程である。除去工程S140では、例えば、イオンエッチング装置や、酸素プラズマ装置を用いて、犠牲層150をエッチングすることで、被処理層140から犠牲層150を除去する。また、犠牲層150がカーボンで構成される場合、酸素の存在下(例えば、大気中)で加熱することによって、犠牲層150を除去することができる。
(Removal step S140)
The removal step S140 is a step of removing the sacrificial layer 150 from the layer to be treated 140. In the removal step S140, the sacrificial layer 150 is removed from the layer to be treated 140 by etching the sacrificial layer 150 using, for example, an ion etching apparatus or an oxygen plasma apparatus. Further, when the sacrificial layer 150 is composed of carbon, the sacrificial layer 150 can be removed by heating in the presence of oxygen (for example, in the atmosphere).

また、犠牲層150がフィルムで構成される場合、単に、被処理層140から犠牲層150を剥離させるだけで、犠牲層150を被処理層140から除去することができる。 Further, when the sacrificial layer 150 is made of a film, the sacrificial layer 150 can be removed from the processed layer 140 by simply peeling the sacrificial layer 150 from the processed layer 140.

除去工程S140を遂行することにより、不純物となり得る犠牲層150を除去することができ、相転移させた被処理層140のみを製造することが可能となる。 By carrying out the removal step S140, the sacrificial layer 150 that can be an impurity can be removed, and only the phase-transitioned layer 140 to be treated can be produced.

以上説明したように、材料製造方法によっても、短時間かつ低コストで材料を製造することができる。 As described above, the material can be manufactured in a short time and at low cost by the material manufacturing method.

(実施例)
(1.犠牲層150の積層)
基体130がサファイアで、被処理層140が窒化ガリウム(5μm)で構成された基板(以下、単に「GaN基板」と称する)、サファイアで構成された被処理層140のみの基板(以下、単に「サファイア基板」と称する)、基体130がサファイアで、被処理層140がシリコン(500nm)で構成された基板(以下、単に「SOS基板」と称する)、それぞれに対して、犠牲層150としてカーボンナノウォールを1.4μm製膜した。
(Example)
(1. Lamination of sacrificial layer 150)
A substrate in which the substrate 130 is sapphire and the layer 140 to be treated is made of gallium nitride (5 μm) (hereinafter, simply referred to as “GaN substrate”), and a substrate having only the layer 140 to be treated made of sapphire (hereinafter, simply “” A substrate in which the substrate 130 is sapphire and the layer 140 to be treated is silicon (500 nm) (hereinafter, simply referred to as “SOS substrate”), and carbon nano as a sacrificial layer 150 for each. The wall was formed with a film of 1.4 μm.

なお、上記3種類の基板それぞれをプラズマCVD装置内に設置し、メタン(CH)、水素(H)、アルゴン(Ar)の混合雰囲気下で、カーボンナノウォールを製膜した。カーボンナノウォールを製膜している間、基板の温度を948Kに維持した。また、製膜時間は20〜30分程度であった。 Each of the above three types of substrates was installed in a plasma CVD apparatus, and a carbon nanowall was formed under a mixed atmosphere of methane (CH 4 ), hydrogen (H 2 ), and argon (Ar). The temperature of the substrate was maintained at 948K during the formation of the carbon nanowall. The film forming time was about 20 to 30 minutes.

(2.レーザ光の照射)
GaN基板にカーボンナノウォールを製膜したもの(実施例A1)、GaN基板のみ(比較例B1)、サファイア基板にカーボンナノウォールを製膜したもの(実施例A2)、サファイア基板のみ(比較例B2)、SOS基板にカーボンナノウォールを製膜したもの(実施例A3)、SOS基板のみ(比較例B3)に対し、室温、大気環境下でレーザ光を1ショット照射した。なお、レーザ光の波長は800nm、パルス幅は100fs、パルスエネルギーは160μJである。
(2. Laser irradiation)
A GaN substrate with a carbon nanowall film formed (Example A1), a GaN substrate only (Comparative Example B1), a sapphire substrate with a carbon nanowall film formed (Example A2), and a sapphire substrate only (Comparative Example B2). ), A carbon nanowall film formed on an SOS substrate (Example A3), and only the SOS substrate (Comparative Example B3) were irradiated with one shot of laser light at room temperature and in an atmospheric environment. The wavelength of the laser beam is 800 nm, the pulse width is 100 fs, and the pulse energy is 160 μJ.

(3.表面解析)
レーザ光を照射した実施例A1、A2、A3、比較例B1、B2、B3の表面構造および電子状態を走査型電子顕微鏡(SEM)およびX線光電分光装置(XPS:PHI 5000 VersaProbe II, ULVAC-PHI, Inc., Japan)で解析した。XPSは、X線源としてAl Kα(hν=1486.6eV)を使用した。また、X線のビーム径は10μmであり、測定中はチャージアップを防ぐために中和銃を使用した。また、XPSで解析する前に、カーボンナノウォールを取り除くために使用したArスパッタは、4kVの加速電圧で行った。スパッタ範囲は2×2mmであり、スパッタレートはSiO換算で8.77nmである。
(3. Surface analysis)
Scanning electron microscope (SEM) and X-ray photoelectric spectroscope (XPS: PHI 5000 VersaProbe II, ULVAC- It was analyzed by PHI, Inc., Japan). XPS used Al Kα (hν = 1486.6 eV) as the X-ray source. The X-ray beam diameter was 10 μm, and a neutralizing gun was used during the measurement to prevent charge-up. Also, before the XPS analysis, the Ar sputtering used to remove the carbon nanowalls was performed at an acceleration voltage of 4 kV. The sputtering range is 2 × 2 mm 2 , and the sputtering rate is 8.77 nm in terms of SiO 2 .

(4−1.GaNについての解析結果)
図3は、GaNのSEM像を示す図であり、図3(a)は比較例B1(GaN基板のみ)のレーザ光照射痕のSEM像であり、図3(b)は実施例A1(GaN基板にカーボンナノウォールを製膜したもの)のレーザ光照射痕のSEM像である。
(4-1. Analysis results for GaN)
FIG. 3 is a diagram showing an SEM image of GaN, FIG. 3A is an SEM image of a laser beam irradiation mark of Comparative Example B1 (GaN substrate only), and FIG. 3B is an Example A1 (GaN). It is an SEM image of a laser beam irradiation mark of a substrate formed by forming a carbon nanowall.

図3(a)に示すように、比較例B1のレーザ光照射痕は、ビームが正確なGaussian形状になっておらず、中心から多少外れたところが最も強度が高い(図3(a)中、破線の円で囲んだ部分)。また、図3(a)に示す、白色の粒子をエネルギー分散型X線分析(EDS)で解析したところ、Ga−richであることが確認された。GaNは高温になると窒素が大気中へ容易に脱離してしまう性質を有することから、これが原因となってGaのみが残存したと考えられる。 As shown in FIG. 3 (a), the laser beam irradiation trace of Comparative Example B1 has the highest intensity when the beam does not have an accurate Gaussian shape and is slightly off the center (in FIG. 3 (a), The part surrounded by the broken line circle). Moreover, when the white particles shown in FIG. 3A were analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS), it was confirmed that they were Ga-rich. Since GaN has a property that nitrogen is easily desorbed into the atmosphere at a high temperature, it is considered that only Ga remains due to this.

一方、図3(b)に示すように、実施例A1のレーザ光照射痕では、カーボンナノウォールが完全にアブレーションしておらず、最もエネルギーの大きい箇所であってもカーボンナノウォールが残存していることが分かった。カーボンナノウォールの残存の原因を調査すべく、XPSによる電子状態分析を行った。 On the other hand, as shown in FIG. 3 (b), in the laser beam irradiation trace of Example A1, the carbon nanowall was not completely ablated, and the carbon nanowall remained even in the portion having the highest energy. It turned out that there was. In order to investigate the cause of the residual carbon nanowall, the electronic state analysis by XPS was performed.

図4は、GaNのXPSの解析結果を示す図であり、図4(a)はGa(ガリウム)の3d軌道のXPSスペクトルを示し、図4(b)はN(窒素)の1s軌道のXPSスペクトルを示す。なお、図4中、レーザ光照射前の比較例B1を一点鎖線で、レーザ照射光後の実施例A1を実線で、レーザ光照射後の比較例B1を破線で示す。 FIG. 4 is a diagram showing the results of XPS analysis of GaN, FIG. 4A shows the XPS spectrum of the 3d orbital of Ga (gallium), and FIG. 4B shows the XPS spectrum of the 1s orbital of N (nitrogen). Shows the spectrum. In FIG. 4, Comparative Example B1 before laser irradiation is indicated by a chain line, Example A1 after laser irradiation is indicated by a solid line, and Comparative Example B1 after laser irradiation is indicated by a broken line.

まず、Arスパッタによってカーボンナノウォール(犠牲層150)を取り除き、その後、XPSで表面分析を行った。図4(a)に示すように、レーザ光照射前の比較例B1におけるGaの3d軌道のピークは18.6eVであり、レーザ光照射後の比較例B1におけるGaの3d軌道のピークは18.2eVであり、レーザ光照射後の実施例A1におけるGaの3d軌道のピークは19.3eVであった。 First, carbon nanowalls (sacrificial layer 150) were removed by Ar sputtering, and then surface analysis was performed by XPS. As shown in FIG. 4A, the peak of the 3d orbital of Ga in Comparative Example B1 before the laser irradiation is 18.6 eV, and the peak of the 3d orbital of Ga in Comparative Example B1 after the laser irradiation is 18. It was 2 eV, and the peak of the 3d orbital of Ga in Example A1 after the laser irradiation was 19.3 eV.

つまり、レーザ光照射後の実施例A1におけるGaの3d軌道のピークは、レーザ光照射前の比較例B1のピークより、0.7eV高結合エネルギー側へシフトしていることが確認された。なお、GaN基板に対して、Arスパッタを長時間(120分、SiO換算で1052nm)行っても、Gaの3d軌道や、Nの1s軌道のスペクトルの形状やピークの位置に変化はなく、GaNは、スパッタに対して安定であることを確認している。また、GaNを40〜50GPaの圧力下に配することによって、ウルツ鉱構造からロックソルト構造へ相転移させた材料におけるGaの3d軌道のピークが、レーザ光照射後の実施例A1のピークと一致する。したがって、上記ピークシフトはArスパッタによるものではなく、GaNのウルツ鉱構造からロックソルト構造への相転移によるものと考えられる。 That is, it was confirmed that the peak of the 3d orbital of Ga in Example A1 after the laser irradiation was shifted to the 0.7 eV high binding energy side from the peak of Comparative Example B1 before the laser light irradiation. Even if Ar sputtering was performed on the GaN substrate for a long time (120 minutes, 1052 nm in terms of SiO 2 ), the shape of the spectrum of the 3d orbital of Ga and the position of the peak of the 1s orbital of N did not change. It has been confirmed that GaN is stable against sputtering. Further, by arranging GaN under a pressure of 40 to 50 GPa, the peak of the 3d orbital of Ga in the material in which the phase transition from the wurtzite structure to the rock salt structure coincides with the peak of Example A1 after laser irradiation. To do. Therefore, it is considered that the peak shift is not due to Ar sputtering, but due to the phase transition of GaN from the wurtzite structure to the rock salt structure.

一方、レーザ光照射後の比較例B1におけるGaの3d軌道のピークは、レーザ光照射前の比較例B1のピークより、0.4eV低結合エネルギー側へシフトしていることが確認され、実施例A1と逆の方向にピークシフトしていることが分かった。これは、上記EDSの結果から推測されるように、レーザ光照射によってGaNの窒素が大気中に放出され、金属的なGa−richな状態となったためであると考えられる。 On the other hand, it was confirmed that the peak of the 3d orbital of Ga in Comparative Example B1 after the laser irradiation was shifted to the 0.4 eV low binding energy side from the peak of Comparative Example B1 before the laser irradiation. It was found that the peak shift was in the opposite direction to A1. It is considered that this is because, as inferred from the above EDS results, GaN nitrogen was released into the atmosphere by laser irradiation, resulting in a metallic Ga-rich state.

また、Nの1s軌道のピークについて検討したところ、図4(b)に示すように、レーザ光照射前の比較例B1におけるNの1s軌道のピークは396.0eVであり、レーザ光照射後の比較例B1におけるNの1s軌道のピークは395.7eVであり、レーザ光照射後の実施例A1におけるNの1s軌道のピークは397.2eVであった。したがって、レーザ光照射前の比較例B1のピークからのシフトは、レーザ光照射後の実施例A1、および、レーザ光照射後の比較例B1双方とも、上記Gaの3d軌道のピークのシフトと同様であることが分かった。なお、Nの1s軌道のスペクトル内の390〜394eVの範囲にある構造は、GaのAuger電子に基づくピークである。 Further, when the peak of the 1s orbital of N was examined, as shown in FIG. 4B, the peak of the 1s orbital of N in Comparative Example B1 before the laser irradiation was 396.0 eV, and after the laser irradiation, the peak was 396.0 eV. The peak of the 1s orbital of N in Comparative Example B1 was 395.7 eV, and the peak of the 1s orbital of N in Example A1 after the laser irradiation was 397.2 eV. Therefore, the shift from the peak of Comparative Example B1 before the laser irradiation is the same as the shift of the peak of the 3d orbital of Ga in both Example A1 after the laser irradiation and Comparative Example B1 after the laser irradiation. It turned out to be. The structure in the range of 390 to 394 eV in the spectrum of the 1s orbital of N is a peak based on the Auger electron of Ga.

(4−2.サファイアについての解析結果)
図5は、サファイアのSEM像を示す図であり、図5(a)は比較例B2(サファイア基板のみ)のレーザ光照射痕のSEM像であり、図5(b)は実施例A2(サファイア基板にカーボンナノウォールを製膜したもの)のレーザ光照射痕のSEM像である。
(4-2. Analysis results for sapphire)
FIG. 5 is a diagram showing an SEM image of sapphire, FIG. 5 (a) is an SEM image of a laser beam irradiation mark of Comparative Example B2 (sapphire substrate only), and FIG. 5 (b) is an example A2 (sapphire). It is an SEM image of the laser beam irradiation mark (the one which formed the carbon nanowall film on the substrate).

図5(a)に示すように、比較例B2では、表面がわずかに黒く変色したのみであり明確なレーザ光照射痕を残すことができなかった(レーザ光を照射した部分を破線の丸で示す)。これに対し、図5(b)に示すように、実施例A2では、カーボンナノウォールは残存しているもののレーザ光照射による影響が観察できた。 As shown in FIG. 5A, in Comparative Example B2, the surface was only slightly discolored black and no clear laser light irradiation mark could be left (the portion irradiated with the laser light is indicated by a broken line circle. Show). On the other hand, as shown in FIG. 5B, in Example A2, although the carbon nanowall remained, the influence of laser irradiation could be observed.

図6は、サファイアのXPSの解析結果を示す図であり、図6(a)はAl(アルミニウム)の2p軌道のXPSスペクトルを示し、図6(b)はO(酸素)の1s軌道のXPSスペクトルを示す。なお、図6中、レーザ光照射前の比較例B2を一点鎖線で、レーザ照射光後の実施例A2(スパッタ時間200分)を実線で、レーザ光照射後の実施例A2(スパッタ時間160分)を破線で示す。 6A and 6B are diagrams showing the results of XPS analysis of sapphire, FIG. 6A shows the XPS spectrum of the 2p orbital of Al (aluminum), and FIG. 6B shows the XPS of the 1s orbital of O (oxygen). Shows the spectrum. In FIG. 6, Comparative Example B2 before the laser beam irradiation is shown by the alternate long and short dash line, Example A2 after the laser beam irradiation is shown by the solid line, and Example A2 (sputtering time is 160 minutes) after the laser beam irradiation. ) Is indicated by a broken line.

Arスパッタによって200分間カーボンナノウォール(犠牲層150)を取り除いた場合の実施例A2と、Arスパッタによって160分間カーボンナノウォールを取り除いた場合の実施例A2とのXPSで表面分析を行った。 Surface analysis was performed by XPS of Example A2 in which the carbon nanowall (sacrificial layer 150) was removed by Ar sputtering for 200 minutes and Example A2 in which the carbon nanowall was removed by Ar sputtering for 160 minutes.

その結果、図6(a)に示すように、レーザ光照射前の比較例B2におけるAlの2p軌道のピークは76.7eVであり、レーザ光照射後の実施例A2(スパッタ時間160分)におけるAlの2p軌道のピークは74.3eVであり、レーザ光照射後の実施例A2(スパッタ時間200分)におけるAlの2p軌道のピークは75.1eVであった。 As a result, as shown in FIG. 6A, the peak of the 2p orbital of Al in Comparative Example B2 before the laser beam irradiation was 76.7 eV, and in Example A2 (spatter time 160 minutes) after the laser beam irradiation. The peak of the 2p orbital of Al was 74.3 eV, and the peak of the 2p orbital of Al in Example A2 (spatter time 200 minutes) after the laser irradiation was 75.1 eV.

また図6(b)に示すように、レーザ光照射前の比較例B2におけるOの1s軌道のピークは533.4eVであり、レーザ光照射後の実施例A2(スパッタ時間160分)におけるOの1s軌道のピークは531.2eVであり、レーザ光照射後の実施例A2(スパッタ時間200分)におけるOの1s軌道のピークは532.0eVであった。 Further, as shown in FIG. 6 (b), the peak of the 1s orbit of O in Comparative Example B2 before laser irradiation was 533.4 eV, and that of O in Example A2 (spatter time 160 minutes) after laser irradiation. The peak of the 1s orbit was 531.2 eV, and the peak of the 1s orbit of O in Example A2 (spatter time 200 minutes) after the laser irradiation was 532.0 eV.

つまり、Alの2p軌道のピークは、スパッタ時間が長くなるに従って(カーボンナノウォールの量が少なくなるに従って)、低結合エネルギー側からレーザ光照射前の比較例B2のピーク位置に近づいていることが分かる。また、Oの1s軌道のピークも同様である。Alの2p軌道のピーク、Oの1s軌道のピークいずれも2eV以上の非常に大きなピークシフトが確認された。なお、カーボンナノウォール由来のC(炭素)の1s軌道のピーク位置に変化がないこと、および、120分間のスパッタによってもピークシフトが起こらないことを確認しているため、上記ピークシフトは、サファイアの電子状態が変化したものと考えられる。 That is, the peak of the 2p orbital of Al approaches the peak position of Comparative Example B2 before the laser irradiation from the low binding energy side as the sputtering time increases (as the amount of carbon nanowalls decreases). I understand. The same applies to the peak of the 1s orbit of O. A very large peak shift of 2 eV or more was confirmed for both the peak of the 2p orbital of Al and the peak of the 1s orbital of O. Since it has been confirmed that the peak position of the 1s orbital of C (carbon) derived from carbon nanowall does not change and that the peak shift does not occur even after sputtering for 120 minutes, the above peak shift is sapphire. It is probable that the electronic state of sapphire has changed.

また、レーザ光照射前の比較例B2、レーザ光照射後の実施例A2(スパッタ時間160分)、レーザ光照射後の実施例A2(スパッタ時間200分)それぞれについて、AlとOの組成比を導出した。その結果、レーザ光照射後の実施例A2(スパッタ時間200分)では、ほぼstoichiometricな組成比(Al:40at%、O:60at%)であった。これに対し、レーザ光照射後の実施例A2(スパッタ時間160分)では、Al:46.5at%、O:53.5at%となり、スパッタ時間200分の実施例A2と比較して酸素が少ないことが分かった。レーザ光照射後の実施例A2(スパッタ時間160分)における、Alの2p軌道のピークシフト、および、Oの1s軌道のピークシフトは、レーザ光を照射することにより高温になった際に、酸素が炭素によって還元されて大気中へ放出されたためであると考えられる。 Further, the composition ratios of Al and O were set for each of Comparative Example B2 before laser irradiation, Example A2 after laser irradiation (spatter time 160 minutes), and Example A2 after laser light irradiation (spatter time 200 minutes). Derived. As a result, in Example A2 (sputtering time 200 minutes) after laser irradiation, the composition ratio was almost stoichiometric (Al: 40 at%, O: 60 at%). On the other hand, in Example A2 (sputtering time 160 minutes) after laser irradiation, Al: 46.5 at% and O: 53.5 at%, which are less oxygen than in Example A2 having a sputtering time of 200 minutes. It turned out. In Example A2 (spatter time 160 minutes) after laser light irradiation, the peak shift of the 2p orbital of Al and the peak shift of the 1s orbital of O are oxygen when the temperature becomes high due to the irradiation of the laser light. It is thought that this is because was reduced by carbon and released into the atmosphere.

ただし、レーザ光照射後の実施例A2(スパッタ時間160分)におけるAlの2p軌道のピーク位置は74.3eVであり、レーザ光照射前の比較例B2のピークから大きくシフトしており、金属Alのピーク位置(72.8〜72.9eV)に近い値となっている。しかし、酸素脱離が起こったとはいえ、AlとOとのat%比が概ね1:1であるため、ここまでの大きいピークシフトの原因が、酸素脱離のみであるとは考えにくい。XPSスペクトルでは、一般に金属的な電子状態の元素のピークが低結合エネルギー側へ現れるため、上記の大きいピークシフト(2eV以上のピークシフト)は、酸素脱離のみではなく、レーザ誘起の衝撃波によりサファイアが金属的な性質を獲得したためと考えられる。なお、サファイアは、300GPaで金属的なアモルファス状態になることが知られている。 However, the peak position of the 2p orbital of Al in Example A2 (spatter time 160 minutes) after laser irradiation is 74.3 eV, which is significantly shifted from the peak of Comparative Example B2 before laser irradiation, and the metal Al. The value is close to the peak position (72.8 to 72.9 eV). However, even though oxygen desorption has occurred, since the at% ratio of Al and O is approximately 1: 1, it is unlikely that the cause of such a large peak shift is only oxygen desorption. In the XPS spectrum, the peaks of elements in metallic electronic states generally appear on the low binding energy side, so the above-mentioned large peak shift (peak shift of 2 eV or more) is caused not only by oxygen desorption but also by laser-induced shock waves. Is thought to have acquired metallic properties. It is known that sapphire becomes a metallic amorphous state at 300 GPa.

一方、レーザ光照射後の実施例A2(スパッタ時間200分)では、ほぼstoichiometricな組成比であったにも拘らず、ピークが低結合エネルギー側へ大きくシフトしている。これはサファイアのアモルファス化によるものと考えられる。なお、サファイアは180GPa以上の高圧での結晶構造が報告されていないため、断定はできないが、アモルファス化しているとすると、実施例A2にレーザ光を照射することにより、衝撃波によって、被処理層140が200GPa程度まで圧縮されていたと推測できる。 On the other hand, in Example A2 (sputtering time 200 minutes) after laser irradiation, the peak was largely shifted to the low binding energy side even though the composition ratio was almost stoichiometric. This is thought to be due to the amorphization of sapphire. Since the crystal structure of sapphire at a high pressure of 180 GPa or more has not been reported, it cannot be determined, but if it is amorphized, the layer 140 to be treated is generated by a shock wave by irradiating Example A2 with a laser beam. Can be estimated to have been compressed to about 200 GPa.

(4−3.SOSについての解析結果)
図7は、SOSのXPSの解析結果を示す図であり、図7(a)はSi(シリコン)の2p軌道のXPSスペクトルを示し、図7(b)はO(酸素)の1s軌道のXPSスペクトルを示す。なお、図7中、レーザ光照射前の比較例B3を一点鎖線で、レーザ照射光後の実施例A3を実線で、レーザ光照射後の比較例B3を破線で示す。
(4-3. Analysis results for SOS)
FIG. 7 is a diagram showing the results of XPS analysis of SOS, FIG. 7 (a) shows the XPS spectrum of the 2p orbital of Si (silicon), and FIG. 7 (b) shows the XPS of the 1s orbital of O (oxygen). Shows the spectrum. In FIG. 7, Comparative Example B3 before laser irradiation is indicated by a chain line, Example A3 after laser irradiation is indicated by a solid line, and Comparative Example B3 after laser irradiation is indicated by a broken line.

Arスパッタによってカーボンナノウォール(犠牲層150)を取り除き、その後、XPSで表面分析を行った。図7(a)に示すように、レーザ光照射前の比較例B3におけるSiの2p軌道のピークは98.6eVであり、レーザ光照射後の比較例B3におけるSiの2p軌道のピークは99.2eVであり、レーザ光照射後の実施例A3におけるSiの2p軌道のピークは100.5eVであった。 The carbon nanowall (sacrificial layer 150) was removed by Ar sputtering, and then surface analysis was performed by XPS. As shown in FIG. 7A, the peak of the Si 2p orbital in Comparative Example B3 before the laser irradiation is 98.6 eV, and the peak of the Si 2p orbital in the Comparative Example B3 after the laser irradiation is 99. It was 2 eV, and the peak of the 2p orbital of Si in Example A3 after the laser irradiation was 100.5 eV.

つまり、レーザ光照射後の実施例A3におけるSiの2p軌道のピークは、レーザ光照射前の比較例B3のピークより高結合エネルギー側へ1.9eVシフトしていることが確認された。これにより、レーザ光照射後の実施例A3では、構造相転移が起きていると推測される。 That is, it was confirmed that the peak of the Si 2p orbital in Example A3 after the laser irradiation was 1.9 eV-shifted to the higher binding energy side from the peak of Comparative Example B3 before the laser light irradiation. As a result, it is presumed that the structural phase transition has occurred in Example A3 after the laser irradiation.

また、図7(b)に示すように、Oの1s軌道のピークは、レーザ光照射前の比較例B3、および、レーザ光照射後の比較例B3では確認できたが、レーザ光照射後の実施例A3では確認できなかった。これにより、レーザ光照射後の実施例A3には酸素が存在しないことが確認された。なお、レーザ光照射後の比較例B3では、Siの2p軌道において104eVのピークが認められることから、レーザ光照射によって大気中の酸素が取り込まれSiOに変化したと考えられる。 Further, as shown in FIG. 7B, the peak of the 1s orbit of O was confirmed in Comparative Example B3 before the laser irradiation and Comparative Example B3 after the laser irradiation, but after the laser irradiation. It could not be confirmed in Example A3. From this, it was confirmed that oxygen was not present in Example A3 after the laser irradiation. In Comparative Example B3 after laser irradiation, a peak of 104 eV was observed in the 2p orbital of Si, so it is considered that oxygen in the atmosphere was taken in by laser irradiation and changed to SiO 2 .

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, it goes without saying that the present invention is not limited to such an embodiment. It is clear that a person skilled in the art can come up with various modifications or modifications within the scope of the claims, and it is understood that these also naturally belong to the technical scope of the present invention. Will be done.

例えば、上述した実施形態では、被処理層140の下方(犠牲層150の反対側)に基体130が積層された被処理材料120を例に挙げて説明した。これにより、レーザ光が照射された際に生じる被処理層140の熱を基体130に伝達することができる。したがって、被処理層140において相転移した状態を維持することが可能となる。しかし、熱伝導率が高い物質(例えば、サファイア)で被処理層140が構成される場合等においては、基体130は必須ではなく、被処理材料120が被処理層140と、犠牲層150とで構成されてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the material 120 to be treated in which the substrate 130 is laminated below the layer 140 to be treated (opposite the sacrificial layer 150) has been described as an example. As a result, the heat of the layer 140 to be treated generated when the laser beam is irradiated can be transferred to the substrate 130. Therefore, it is possible to maintain the phase transition state in the layer 140 to be treated. However, when the layer 140 to be treated is composed of a substance having high thermal conductivity (for example, sapphire), the substrate 130 is not essential, and the material 120 to be treated is composed of the layer 140 to be treated and the sacrificial layer 150. It may be configured.

また、上記実施形態において、材料製造装置100が保持部102を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、大気雰囲気下で被処理材料120にレーザ光を照射する場合等、材料製造装置100は保持部102を備えずともよい。 Further, in the above embodiment, the configuration in which the material manufacturing apparatus 100 includes the holding portion 102 has been described as an example. However, when the material 120 to be processed is irradiated with laser light in an air atmosphere, the material manufacturing apparatus 100 does not have to include the holding unit 102.

また、上記実施形態において、雰囲気調整工程S120、除去工程S140を遂行することとしたが、雰囲気調整工程S120、除去工程S140は、必須の処理ではない。 Further, in the above embodiment, the atmosphere adjusting step S120 and the removing step S140 are carried out, but the atmosphere adjusting step S120 and the removing step S140 are not essential processes.

本発明は、レーザを照射して材料を製造する材料製造装置、および、材料製造方法に利用することができる。 The present invention can be used in a material manufacturing apparatus that irradiates a laser to manufacture a material, and a material manufacturing method.

S110 積層工程
S120 雰囲気調整工程
S130 レーザ光照射工程
S140 除去工程
100 材料製造装置
102 保持部
110 パルスレーザ照射部
140 被処理層
150 犠牲層
S110 Laminating process S120 Atmosphere adjustment process S130 Laser light irradiation process S140 Removal process 100 Material manufacturing equipment 102 Holding unit 110 Pulsed laser irradiation unit 140 Processed layer 150 Sacrificial layer

Claims (6)

カーボンナノウォール、カーボンナノチューブ、および、グラフェンのうちのいずれか1の可飽和吸収体を含んで構成される犠牲層が積層された被処理層に、ピコ秒以下のパルス幅のレーザ光を照射するパルスレーザ照射部を備え、
前記被処理層を構成する材料を相転移させる材料製造装置。
A laser beam having a pulse width of picoseconds or less is applied to a layer to be treated in which a sacrificial layer composed of carbon nanowalls, carbon nanotubes, and a saturable absorber of any one of graphene is laminated. Equipped with a pulsed laser irradiation unit
A material manufacturing apparatus that undergoes a phase transition of the materials constituting the layer to be treated.
所定のガス、または、所定の液体を保持し、該所定のガス中、または、該所定の液体中に、前記犠牲層が積層された被処理層が配される保持部を備える請求項1に記載の材料製造装置。 The first aspect of the present invention includes a holding portion that holds a predetermined gas or a predetermined liquid and arranges a layer to be treated in which the sacrificial layer is laminated in the predetermined gas or the predetermined liquid. The material manufacturing apparatus described. 前記犠牲層は、前記可飽和吸収体が、樹脂またはガラスに埋設されてなる請求項1または2に記載の材料製造装置。 The material manufacturing apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the sacrificial layer is a saturable absorber embedded in resin or glass. 被処理層に、カーボンナノウォール、カーボンナノチューブ、および、グラフェンのうちのいずれか1の可飽和吸収体を含んで構成される犠牲層を積層する工程と、
前記犠牲層が積層された前記被処理層に、ピコ秒以下のパルス幅のレーザ光を照射する工程と、
を含み、
前記被処理層を構成する材料を相転移させた材料を製造する材料製造方法。
A step of laminating a sacrificial layer composed of carbon nanowalls, carbon nanotubes, and a saturable absorber of any one of graphene on the layer to be treated.
A step of irradiating the layer to be processed on which the sacrificial layer is laminated with a laser beam having a pulse width of picoseconds or less,
Including
A material manufacturing method for manufacturing a material in which the materials constituting the layer to be treated are phase-translated.
前記犠牲層を積層する工程を遂行した後、前記レーザ光を照射する工程を遂行する前に、所定のガス中、または、所定の液体中に、前記犠牲層が積層された被処理層を配する工程を含む請求項に記載の材料製造方法。 After performing the step of laminating the sacrificial layer and before carrying out the step of irradiating the laser beam, the layer to be treated on which the sacrificial layer is laminated is arranged in a predetermined gas or a predetermined liquid. The material manufacturing method according to claim 4 , wherein the material manufacturing method includes the step of performing. 前記レーザ光を照射する工程を遂行した後、前記犠牲層を除去する工程を含む請求項またはに記載の材料製造方法。 The material manufacturing method according to claim 4 or 5 , further comprising a step of removing the sacrificial layer after performing the step of irradiating the laser beam.
JP2016128355A 2016-06-29 2016-06-29 Material manufacturing equipment and material manufacturing method Active JP6819093B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016128355A JP6819093B2 (en) 2016-06-29 2016-06-29 Material manufacturing equipment and material manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016128355A JP6819093B2 (en) 2016-06-29 2016-06-29 Material manufacturing equipment and material manufacturing method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018001068A JP2018001068A (en) 2018-01-11
JP6819093B2 true JP6819093B2 (en) 2021-01-27

Family

ID=60945437

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016128355A Active JP6819093B2 (en) 2016-06-29 2016-06-29 Material manufacturing equipment and material manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6819093B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7085194B2 (en) * 2018-05-17 2022-06-16 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 Substance generation method

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69020581T4 (en) * 1990-01-11 1996-06-13 Battelle Memorial Institute IMPROVEMENT OF MATERIAL PROPERTIES.
RU2083272C1 (en) * 1995-06-07 1997-07-10 Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН Method of growing diamond from graphite
JP3468450B2 (en) * 1998-07-17 2003-11-17 科学技術振興事業団 Method for selective reforming inside solid material and solid material having selectively reformed inside
JP2005239515A (en) * 2004-02-27 2005-09-08 Rikogaku Shinkokai Material to be worked and its forming method
FR2903810B1 (en) * 2006-07-13 2008-10-10 Commissariat Energie Atomique METHOD FOR NANOSTRUCTURING THE SURFACE OF A SUBSTRATE
JP2008163081A (en) * 2006-12-27 2008-07-17 Fujifilm Corp Laser-decomposable resin composition and pattern-forming material and laser-engravable flexographic printing plate precursor using the same
KR20130059337A (en) * 2010-03-30 2013-06-05 아이엠알에이 아메리카, 인코포레이티드. Laser-based material processing apparatus and methods
US9636650B2 (en) * 2011-06-26 2017-05-02 Ray Techniques Ltd. Method and system for controlled synthesis of nanodiamonds
JP6330317B2 (en) * 2013-12-20 2018-05-30 株式会社Ihi Saturable absorption element, saturable absorption element generation method, and laser apparatus
JP6354338B2 (en) * 2014-05-30 2018-07-11 東レ株式会社 LAMINATE, METHOD FOR PRODUCING LAMINATE, AND METHOD FOR PRODUCING FLEXIBLE DEVICE USING THE SAME

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018001068A (en) 2018-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8883042B2 (en) Production of graphene sheets and features via laser processing of graphite oxide/ graphene oxide
US9870895B2 (en) Methods for perforating two-dimensional materials using a broad ion field
Komlenok et al. Laser induced nanoablation of diamond materials
TWI829968B (en) Method and device for the surface treatment of substrates
JP2013124206A (en) Wafer cutting method and device
Hashida et al. Crystal structures on a copper thin film with a surface of periodic self-organized nanostructures induced by femtosecond laser pulses
Böhme et al. Laser backside etching of fused silica due to carbon layer ablation
Ghareshabani et al. Low energy repetitive miniature plasma focus device as high deposition rate facility for synthesis of DLC thin films
JP6819093B2 (en) Material manufacturing equipment and material manufacturing method
Konov et al. Pulsed laser deposition of hard coatings in atmospheric air
Marks et al. Femtosecond laser dicing of ultrathin Si wafers with Cu backside layer-A fracture strength and microstructural study
Creutzburg et al. Fluorination of graphene leads to susceptibility for nanopore formation by highly charged ion impact
Dong et al. Few-layer graphene film fabricated by femtosecond pulse laser deposition without catalytic layers
Wołowski et al. Application of pulsed laser deposition and laser-induced ion implantation for formation of semiconductor nano-crystallites
Ergashov et al. Composition and Structure of a Nanofilm Multilayer System of the SiO 2/Si/CoSi 2/Si (111) Type Obtained via Ion Implantation
FR2804623A1 (en) METHOD FOR TREATING A DIAMOND SURFACE AND CORRESPONDING DIAMOND SURFACE
Ono et al. Effects of oxygen and substrate temperature on properties of amorphous carbon films fabricated by plasma-assisted pulsed laser deposition method
JP6614651B2 (en) Method and apparatus for producing silicon nanoparticles
Xosocotla et al. Crystallinity and Hardness Enhancement of Polypropylene using Atmospheric Pressure Plasma Discharge Treatment
Emelyanov et al. Modification of the structure and hydrogen content of amorphous hydrogenated silicon films under conditions of femtosecond laser-induced crystallization
JPH04238897A (en) Method for forming diamond film
Dong et al. In‐situ formed nanoparticles on 3C–SiC film under femtosecond pulsed laser irradiation
Nakamura et al. GaN damage-free cyclic etching by sequential exposure to Cl2 plasma and Ar plasma with low Ar+-ion energy at substrate temperature of 400° C
Semyonov et al. Thin carbon films: II. Structure and properties
Korchagina et al. Formation of silicon nanocrystals in SiN x film on PET substrates using femtosecond laser pulses

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190425

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20191126

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200123

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200609

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200727

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200908

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20201102

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20201201

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20201214

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6819093

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151