[論文レビュー] Growth mechanisms and structure of fullerene-like carbon-based thin films: superelastic materials for tribological applications

R. Gago, G. Abrasonis+2 more|ArXiv.org|Jun 15, 2007

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、フラーレン様（FL）炭素ベースの薄膜の成長メカニズムおよび微細構造を調査し、特にそのスーパーイースティックな挙動とトライボロジカル性能に注目している。特に炭素窒化物（CNx）薄膜におけるFL炭素構造の曲率、サイズ、連結性を制御することにより、高硬度、弾性回復性、低摩擦、摩耗抵抗性が向上することを示しており、磁気ハードディスクなどの保護被膜用途に最適である。

ABSTRACT

In this chapter we review our findings on the bonding structure and growth mechanisms of carbon-based thin solid films with fullerene-like (FL) microstructure. The so-called FL arrangements arise from the curvature and cross-linking of basal planes in graphitic-like structures, partially resembling that of molecular fullerenes. This three-dimensional superstructure takes advantage of the strength of planar pi bonds in sp2 hybrids and confers the material interesting mechanical properties, such as high hardness, high elastic recovery, low-friction and wear-resistance. These properties can be tailored by controlling the curvature, size and connectivity of the FL arrangements, making these materials promising coatings for tribological applications. We have focused our interest mostly on carbon nitride (CNx) since nitrogen promotes the formation of FL arrangements at low substrate temperatures and they are emerging over pure carbon coatings in tribological applications such as protective overcoats in magnetic hard disks. We address structural issues such as origin of plane curvature, nature of the cross-linking sites and sp2 clustering, together with growth mechanisms based on the role of film-forming precursors, chemical re-sputtering or concurrent ion assistance during growth.

研究の動機と目的

• フラーレン様（FL）炭素ベースの薄膜の結合状態および成長メカニズムを理解すること。
• FL構造の曲率、サイズ、連結性が機械的特性に与える影響を調査すること。
• 低基板温度下でのFL構造形成を促進する窒素の役割を評価すること。
• 純粋な炭素薄膜と比較して、FL炭素窒化物（CNx）薄膜が優れたトライボロジカル被膜としての可能性を評価すること。
• 性能を支配する主な構造的特徴、例えば平面の曲率、クロスリンクサイト、sp2集団の特定

提案手法

• FL炭素ベースの薄膜の成長に、プラズマエッチング化学蒸着法（PECVD）を用いた。
• ラマン分光法、X線光電子分光法（XPS）、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いたin situおよびex situの分析手法を用いて、結合状態および微細構造を分析した。
• 薄膜形成前駆体および堆積中のイオン補助の役割を調査し、FL構造の制御を図った。
• 成長中の化学的再スパッタリング効果を分析し、表面ダイナミクスおよび薄膜の進化を理解した。
• 低温下でのFL構造安定化に及ぼす窒素ドーピングの影響をモデル化した。
• 構造的パrameter（曲率、sp2集団、クロスリンク）と機械的およびトライボロジカル性能指標の相関を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜中のフラーレン様（FL）炭素微細構造を形成する主な成長メカニズムは何か？
• RQ2 低基板温度下での窒素の導入が、FL炭素構造の安定性および形成にどのように影響するか？
• RQ3 平面の曲率の起源およびFL炭素薄膜におけるクロスリンクサイトの性質は何か？
• RQ4 sp2集団の形成および連結性が、FL炭素薄膜の機械的特性にどのように影響するか？
• RQ5 構造的制御を通じて、FL炭素薄膜の機械的およびトライボロジカル性能をどの程度まで最適化できるか？

主な発見

• フラーレン様（FL）炭素薄膜は、特徴的な3次元スーパー構造のおかげで、高硬度、高弾性回復性、低摩擦、優れた摩耗抵抗性を示す。
• 窒素ドーピングにより、低基板温度下でもFL炭素構造の形成が促進され、薄膜の安定性および性能が向上する。
• 基底面の曲率およびクロスリンクサイトの存在は、FL微細構造の安定化およびスーパーイースティック挙動の実現に不可欠である。
• sp2炭素の集団化および連結性は機械的特性に顕著な影響を与え、最適な構成が優れたトライボロジカル性能をもたらす。
• 成長中の化学的再スパッタリングおよび同時に作用するイオン補助は、薄膜の組成および微細構造を決定づける重要な要因である。
• FL微細構造を有する炭素窒化物（CNx）薄膜は、磁気ハードディスク用保護被膜などのトライボロジカル応用において、純粋な炭素被膜を上回る性能を示す。