教員・研究室紹介

坂本 幸弘

教授

坂本 幸弘

SAKAMOTO YUKIHIRO

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047-478-0516

研究室
津田沼キャンパス 津田沼校舎 精密機械実験室2階
担当講義
「表面工学」「光機能材料」等

真空工学 / 薄膜 / 表面工学

研究室概要

プラズマという言葉は何度か聞いたことはあるかと思いますが、辞書によれば“自由に運動する正負の荷電粒子が混在して全体として電気的中性となっている物質の状態。気体放電によって気体分子が高度に電離した状態や、星の内部・星間空間にある物質の状態の他、半導体内の電子と正孔の集団もプラズマと考えられる。”（辞林21）といわれており、この状態を利用して材料を合成したり、薄膜形成したり、エッチングしたりという加工が行われており、現在の電気電子部品の作製には欠かせない技術の一つとなっております。

当研究室ではイオン・ラジカルを用いた材料創製および精密除去付加加工技術を基に、プラズマ等のドライプロセスによる材料の高機能化を検討しています。具体的には、ダイヤモンド等の非平衡物質の合成や、窒化炭素といった天然には存在しない新奇材料の創製、得られた表面改質層や薄膜の応用の探索を行っています。

研究テーマ

(1) CVDダイヤモンドの合成

CVDダイヤモンド粒子の走査型電子顕微鏡像
CVDダイヤモンド粒子の走査型電子顕微鏡像

電子レンジと同じマイクロ波を用いて、炭素を含む材料ガスとH2またはO2を混合してプラズマ化すると、基板上にダイヤモンドが析出します。図1は、CO－H2系反応ガスよりSi基板上に合成したダイヤモンドの粒子です。サイズこそ小さいものの、その形は見事にダイヤモンドそのものです。純度は、天然のものと比較しても負けません。また、ダイヤモンド膜の合成も可能です。ダイヤモンドは天然物質中最も硬いという特性を有しているために工具としての応用が期待されています。また、最近の動向として、このCVDダイヤモンドの持つ負性電子親和力（真空にして負の電界を加えると電子が出るという特性）に着目した、FED（電界電子放出型ディスプレイ）が検討されています。

また、CVDダイヤモンドは、上述の様に通常単結晶粒子や多結晶の膜状で得られます。そのため、電気的特性や熱伝導率等の構造敏感性ある特性は、単結晶ダイヤモンドに劣ることがあります。そこで、CVDダイヤモンドの高速合成に関する研究成果を生かして、板状や塊状のダイヤモンドの作製についても検討しています。CVDダイヤモンドは、通常宝石として珍重されている最も不純物含有の少ないⅡa型ダイヤモンドであるために、バルクとして応用することにより、ダイヤモンドの特性を更に応用することが可能になると考えられます。

(2) 窒化炭素の合成

得られた窒化炭素のSEM像
得られた窒化炭素のSEM像

セラミックスの一つである窒化珪素の珪素（Si）の代わりに炭素（C）で置換すると、ダイヤモンドより硬い材料を作製できる可能性があるという計算報告がされてから、窒化炭素（C3N4）の合成に関する研究が行われてきました。また、結晶性でなくとも、窒素を含有することにより、高温での耐酸化性等の特性が改善されるといわれています。しかし、結晶性の窒化炭素の合成は困難であるとされていました。マイクロ波プラズマCVDによるCH4－N2系反応ガスからの窒化炭素の合成について検討した結果、CH4濃度の低い領域では結晶性の生成物が、CH4濃度の高い領域ではウイスカー状の生成物が形成することが明らかとなりました。図2に、CH4濃度；1％で作製した生成物のSEM像を示します。このCH4濃度の低い領域で生成した生成物は、オージェ電子分光分析では55％を越える窒素の含有が認められ、また、X線回折では、α－C3N4の形成が確認されました。

電界電子放出特性は、前述のCVDダイヤモンドからの電界放出の数十から数百倍を示しており、今後、多方面への応用について検討していく予定です。

これまでの主要な業績

  1. (1) ．RFスパッタリング法による窒化ホウ素膜の作製と機械的特性、丸子拓也，今宮麻衣，鈴木飛鳥，高橋芳弘，坂本幸弘、材料の科学と工学、査読有、56、4、152-157(2019)
  2. (2) Estimate of Optical Emission Spectroscopy on synthesizing B-doped Diamond using Mode conversion Type Microwave plasma CVD、Asuka Suzuki, Takuya Maruko, Tomoya Sakuma, Yoshihiro Takahashi, Yukihiro Sakamoto、Materials Science and Technology of Japan、査読有、56、3、109-112(2019)
  3. (3) RF・H2OプラズマによるCVDダイヤモンドの表面改質、坂本幸弘、日本金属学会誌、査読有、89、6、480-485(2019)
  4. (4) ラジカル窒化における基板加熱法の影響、菊池佑介，佐藤雅之，藤田涼平，坂本幸弘、表面技術、査読有、69、10、464-468(2018)
  5. (5) 単結晶ダイヤモンド基板上へ合成したCVDホウ素ドープダイヤモンドの構造評価、佐久間友也，坂本幸弘、材料の科学と工学、査読有、55、3、111-115(2018)
  6. (6) 超硬合金へのボロンドープダイヤモンドの生成、斉藤邦夫，鈴木飛鳥，川名淳雄，坂本幸弘、表面技術、査読有、68、12,727-732(2017)
  7. (7) Fabrication of Boron-Doped Diamond Films on Cemented Tungsten Carbide、Kunio Saito, Atsuo Kawana, Asuka Suzuki, Yukihiro Sakamoto、Material Science and Technology、査読有、55、6、211-216(2017)
  8. (8) アルミニウム陽極酸化における封孔処理への電解硫酸技術の適用、永井達夫，山本裕都喜、坂本幸弘、材料の科学と工学、査読有、53、3、94-99(2016)
  9. (9) DLC Duplex Coating on High-Speed Tool-Steel Substrates Using Plasma Mitrocarburizing After Radical Nitriding、Y. Kikuchi, Y. Hanai, T. Shiroya, Y. Sakamoto、Materials Performance and Characterization、査読有、5、2、1-13(2016)
  10. (10) モード変換型マイクロ波プラズマCVDによるBドープダイヤモンドの合成―電気的特性に及ぼす反応ガス流量の影響―、坂本幸弘，今宮麻衣，玉村修司、材料の科学と工学、査読有、51巻、5号、198-202(2014)