高出力レーザー開発・応用工学部門 - 極限エネルギー密度工学研究

高出力レーザー開発・応用工学部門
末松久幸
１．研究目的
高出力レーザーおよびその応用装置の開発
– 高速ガス中ガスレーザー -Æ 今田助教
– 双ターゲット同時照射（SDA）パルスレーザー堆
積装置開発とこれによる傾斜組成薄膜作製
レーザーを利用した材料の開発
– 酸窒化物硬質薄膜とその高硬度化機構
– 長残光性蛍光体
その他パルスパワーを応用した材料開発
– パルスイオンビーム蒸着法による高速結晶質薄
膜作製技術
– パルス細線放電による有機物被覆超微粒子作
製装置並びに方法開発
– 高温有機物センサー用酸化物ナノポアスポンジ
1
２．研究体制
• 共同研究先（学内）
• 教授
– 機械系武田雅敏准教授
– 物質・材料系井上泰宣 教授
– 末松久幸（平成12年度～現在）
• 助教
– 鈴木常生（平成11年度～現在）
• 共同研究先（学外）
– 民間企業の客員教授：
• 有門経敏（平成13~14年度、東芝他）
• 湯之上隆（平成15年度~現在、日立他）
• 研究機関研究員：
–
–
–
–
杵鞭義明（平成11～13年度）
楊城彩（平成12～13年度）
平井誠（平成14～16年度）
朱小鵬（平成15～16年度）
• COEポスドク
– 朱小鵬（平成17年度）
– 李鵬遠（平成16～17年度）
–
–
–
–
–
–
–
マコー（株） 微粒子作製装置
ナミックス（株） 微粒子ペースト
長岡化工機（有） 微粒子作製装置
ユニオンツール（株） 硬質薄膜
JFE精密（株） 硬質薄膜
板垣金属（株） レーザー加工
住友電工（株） 硬質薄膜
３．研究成果
概要
•
定期刊行誌論文
H. Suematsu, K. Kitajima, T. Suzuki, W. Jiang, K. Yatsui, K. Kurashima and Y. Bando,
“Preparation of Polycrystalline Boron Carbide Thin Films at Room Temperature by
Pulsed Ion-Beam Evaporation”, Appl. Phys. Lett., 80, (2002) 1153-1155.
X. P. Zhu, H. Suematsu, W. Jiang, K. Yatsui and M. K. Lei, "Pulsed-ion-beam Nitriding and
Smoothing of Titanium Surface in a Vacuum", Appl. Phys. Lett., 87 (2005) 093111.
他82編
•
招待、プレナリー講演
–
•
受賞
–
•
•
日本セラミックス協会写真展 優秀賞他 2回
特許
–
出願：12、成立:2
著書
–
•
13回
分担：3
新聞などマスメディアの記事
–
2回
2
３．研究成果・水準
3-1 高出力レーザーおよびその応用装置の開発
KrF eximer
laser
Lens
Laser
Window
Substrate
High Rep.-rate (~400Hz)
KrF Laser
Plume
Target
A-B Compositionally
Gradient Thin Film
Growth
Chamber
A
Target B
Target
Rotary Pump
•
Substrate
複雑高価なマスク制御無しに、傾斜組成薄膜作製する技法、装置開発
3-2 レーザーを利用した材料開発
(1) SDA法で作製した傾斜組成薄膜を用いた
(Sr,Ba,Eu)Al2O4 高輝度蛍光体探索
PL from （（Sr0.85Ba0.15)1-xEux) Al2O4 compositionally gradient thin film
U
36 V ,
5n
m
x= 0
x= 0.09
最高輝度組成
Unit cell volume and PL intensity in the (Sr0.85Ba0.15)Al2O4 -(Sr0.85Ba0.15)0.9Eu0.1Al2O4 system
●　Ba添加あり
With Ba substitution
Without Ba substitution
388 ●　Ba添加なし
Intensity [a.u.]
Unit cell volume [Å3]
390
386
384
382
380
0
0.02
0.04
0.06
0.08
Eu content, x
0.1
With Ba substitution
●　Ba置換あり
Without Ba substitution
●　Ba置換なし
既存の蛍光体（青丸）
にくらべ、
Ba置換により発光強
度増加（赤丸）
325nm excitation
0
0.02
0.04 0.06
Eu content, x
0.08
0.1
H. Suematsu et al., J. Luminescence, submitted.
3
Section III
(2) PLDによるCr(N,O) 硬質薄膜作製
RBSによる
Cr--N-O薄膜の組成精密測定
RBSによるCr
10000
8000
N
6000
O
Cr
4000
■
2000
F
2
日本海側に2台しかない
RBS用静電加速器を使った
組成精密測定
T. Suzuki, J. Inoue, H. Saito, M. Hirai,
H. Suematsu, W. Jiang and K. Yatsui,
Thin Solid
Films, 515
(2006)
2161-2166.
Extreme
Energy-Density
Research
Institute
: simulation
0
0.0
RBS
J/cm
5
1
1
5
1
1
5
1
1
1
3
3
10
pb
p NH3
Torr
-6
1×10
-7
8×10
-7
5×10
-5
1×10
-6
1×10
-6
1×10
-5
1×10
-6
2×10
-6
2×10
-6
2×10
-6
4×10
-6
4×10
-2
1×10
Torr
0.8
0.6
0.6
0.8
0.6
0.6
0.3
0.4
0.2
0.2
0.2
0.2
-
0.5
1.0
Energy, E
p N2
d TS
Torr
mm
15
20
20
15
20
20
15
20
20
20
20
20
0.05
10
立方晶-正方晶転移が引き起こす
Cr(N,O) 薄膜の高硬度化
Cr2O3
Corundum
4000
3500
3000
60
50
2.0
Cr
o
C
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
400
53
50
50
47
50
50
47
50
50
50
45
50
44
N
at. %
44
42
40
42
36
35
37
30
22
20
22
15
13
O
3
8
10
11
14
15
16
20
28
30
33
35
43
/0
常圧合成不可
パルスプラズマにより特異な物性発現
x = 28 at. %
HV=3200
200
正方晶
40
30
20
002
0
2500
80
2000
70
Cr(N,O)酸素量増加で
正方晶化と電子状態変化
→硬さ大幅向上
1500
1000
70
1.5
/ MeV
TS
10
0
10
20
30
40
Oxygen content, x / at.%
50
Tilt angle, Psi / deg.
Vickers hardness, HV
80
Tilt angle, Psi / deg.
Cr(N,O)
NaCl
: measurement data
60
40
41
42
43
46
200
立方晶
30
20
10
002
0
J. Inoue, T. Nakayama, T. Suzuki, H. Suematsu, W. Jiang and K. Niihara,
Materials Science Forum, 510-511 (2006) 1006-1009.
45
x = 8 at. %
HV=2000
50
40
44
Diffraction angle, 2θ / deg.
40
41
42
43
44
45
46
Diffraction angle, 2θ / deg.
4
3-2 レーザーを利用した材料開発
(3) (Cr,Al)(N,O) 硬質薄膜と高硬度化機構
diamond, c-BN, B4Cに
次ぐ世界4番目の高硬度
材料
5000
2
F (J/cm )
▼ : 0.8
Vickers hard ness, H V
SiC
4000
● : 1.3
■ : 3.0
▲ : 5.0
数 nm レベル介在物
Al-O？
による転位ピン止め
3000
2000
1000
0
20
40
60
80
100 nm
100
Surface area ratio of target, R S (% )
M. Hirai, T. Suzuki, H. Suematsu, W. Jiang and K. Yatsui,
J. Vac. Sci. Technol., A21 (2003) 947-954.
x = 25 at. % HV=4200
3-3その他パルスパワーの応用
(1) パルスイオンビーム蒸着法
ETIGO-II, 3MV, 460kA, 50ns, 1.4TW
Substrate holder
z 発光時間 66-72 µs.
z 300 nm Y-123薄膜が1ショットで作製.
d
AT
z 初期成膜速度 ~4 mm/s.
z 高密度プラズマ、平均自由行程短
→真空に逃げられない
Target
z 良好な組成制御性と結晶化度
100 mm
5
(1-1)IBE法で作製したB12+xC3-x 薄膜の微構造と熱電特性
10
-4
Bouchacourt et al. [3]
Present results
10
-5
10
-6
4nm
Intensity (arb.units)
B-K
C-K
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Estimated composition, x
200
250
300
350
400
450
Energy Loss (eV)
H. Suematsu, K. Kitajima, T. Suzuki, W. Jiang,
K. Yatsui, K. Kurashima and Y. Bando,
Appl. Phys. Lett., 80 (2002) 1153-1155.
•
•
Power factor = α2σ
IBEの組成制御性の良さを生かした成膜
•
これまで報告されている中で、最高出力因
子を有する B-C 試料を得た.
(1-2) IBEによる Ti-Fe 薄膜作製
● TiFe
● 200
最初で唯一の
結晶化Ti-Fe薄膜
Glass Sub.
Si
Si
Intensity (arb. units)
● 110
Target ( Ti-40at.%Fe )
Si Sub.
2θ(deg.)
T. Suzuki, T. Saikusa, H. Suematsu, W. Jiang and K. Yatsui,
Surface Coating Technol., 169 (2003) 491-494.
6
3-3その他パルスパワーの応用
(2) パルス細線放電による超微粒子作製装置と方法開発
Pulsed
current
Gas
Wire
Particles
Vapor
Electrodes
a) Heating
b) Explosion
c) Quenching
Oxides
Metals
Nitrides
PWDで作製された超微粒子
γ-Al2O3
SAD
440
511
400
222
D50 = 5 nm
σg = 1.46
Frequency
γ-Al2O3 TEM Image
1
20 nm
Cu
Intensity [arb. unit]
Cu
20 nm
10
Particle Diameter [nm]
20
30
100
3.6 nm
40
50
60
70
2θ [deg.]
80
90 100
Y. Tokoi, T. Suzuki, T. Nakayama, H. Suematsu,
W. Jiang, K. Yatsui and K. Niihara,
J. Jpn. Soc. Powder Powder Metal., 54 (2007) 180-185.
7
超微粒子量産用高繰り返しPWD装置開発
Pulse generator
Trigger
circuit
DG-535
Discharge
Circuit
Reel
Stepping
motor
M
High-repetition
rate charger
Wire
H. Suematsu, S. Nishimura, K. Murai, Y. Hayashi, T. Suzuki,
T. Nakayama, W. Jiang, A. Yamazaki1, K. Seki1 and K. Niihara,
Rev. Sci. Inst., 78 (2007) 056105.
PC
Stepping motor
controlling unit
Wire Feeder
細線引っ張り型初
（細い細線使用可、
粒径分布向上）
EDI, Nagaoka University of Technology
高繰り返しPWD 装置 1.4Hz運転テスト
H. Suematsu, S. Nishimura, K. Murai, Y. Hayashi, T. Suzuki, T. Nakayama, W. Jiang, A. Yamazaki1, K. Seki1 and K. Niihara,
Rev. Sci. Inst., 78 (2007) 056105.
EDI, Nagaoka University of Technology
8
3-3その他パルスパワーの応用
ρ [Ω c m ]
(3) 高温高沸点有機物センサー用NiFe2O4 ナノポアスポンジ
10
9
10
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
200 Torr
400 Torr
600 Torr
100
150
200
250
300
Temp. [℃]
z Sintered NiFe2O4 nanosized powders at 600 oC in air for 1h to form “nano pore
sponge”.
z The highest critical temperature in known CTRs
Suematsu et al., J. Mater. Res., 19 (2004) 1011-1014.
10 7
Ethanol
10 6 T 1
-20
10 5
アルコールを塗布した
NiFe2O4 ナノポアスポンジ
の熱分析
-30
10 3
10 7
T2
-40
T3
-50
-60
-10
n-P ropanol
10 6
o
T e = 60.8 C
n-P ropanol
10 4
10 3
10 7
n-Butanol
10 6
10 5
Weight change /mg
-20
10 5
-30
90
80
70
-40
-50
100
T1 /oC
10 4
Resistivity /Ωcm
E thanol
-10
o
T e = 76.7 C
-60
-10
60
70
80 90
o
Te / C
100 110
n-B utanol
-20
-30
10 4
-40
3
-50
10
10 7
蒸発温度T
蒸発温度Teと電気抵抗急変温
度 T1は良い相関
o
T e = 86.7 C
-60
n-Hexanol
10 6
-10
n-H exanol
-20
10 5
10
4
-30
10
3
-40
100
200 300 400
T emperature /oC
500
-50
分子分別可能な高温有機物セ
ンサー
o
T e = 107.2 C
100
200
300
o
T em perature / C
T. Suzuki, T. Nakayama, T. Suzuki,
H. Suematsu and K. Niihara,
Jpn. J. Appl. Phys., 47 (2008) 661-663.
9
４．教育活動
•
講義
末松
– 核エネルギー工学（学部4年）
– プラズマ物性工学
– 高電圧工学
– レーザー工学（分担、学部4年）
– 基礎電磁気学（分担、学部2年）
– 高温超伝導材料工学特論（隔年、修士）
– 電気技術英語
– PBP1
– 学生実験（学部2年）
鈴木
– 演習
– 学生実験（学部4年）
•
博士課程学生主査：
– 卒業：5名
– 在学中：4名（社会人1名）
– 進学希望：2名（社会人1名）
５．社会貢献
弦楽四重奏
• 啓蒙活動、社会貢献
– 音楽と科学のふれあい広場
• 科学にも右脳必要
• 音楽を聴かせて右脳活性化
• その後科学の出し物
– エルネットテレビ講義
• 新潟大学非常勤講師
液体窒素で
低温体感
超電導リニアモーターデモ装置で
科学の不思議体験
10
センターで開発された様々な極端条件発生技術
６．将来計画
•
パルスパワーのみでない種々の極端条件を活用し
た材料合成法開発
– パルスレーザー堆積
– 高圧下合成
– パルス細線放電
Plasma
•
自製極端条件発生装置による新機能化合物合成
– 高温超伝導と硬質酸窒化物の高圧下合成
•
Laser
新材料のための物質ハイブリッド化技法開発
– 酸窒化物硬質薄膜
•
地域産業支援
– 工具用硬質薄膜
– ブラスト、ペースト用パルス細線放電装置
High pressure
• 産業界からの客員教授、研究員
科学と産業応用のための本学関連施設：
ながおか新産業想像センター
•
科学探究
– 銅酸化物超伝導体、酸窒化物硬質材料、蛍光体
– 高価数イオンを含むオーバードープ領域諸物性探索
と物性発現機構解明
• 学内人事交流
•
新物質、材料開発
インターネットでのデータ公開
新物質・材料創成工学講座
末松が合成法と構造確立
水分子吸着によるドーピングと超伝
導化を発見
高圧合成
極限センター合成の
微粒子原料
特別教育研究経費
(H19-23)
H21から増額希望
超高圧、プラズマ、レーザーなど
極端条件下合成技術
パルス細線放電
大気圧プラズマ
JST育成研究
（H17-20）
高圧合成
価数測定
極限センター合成の
微粒子原料
高圧相Ba2Ca2Cu3Oy
超伝導体合成と
BaO面間へのCO2, Cl2分子吸収
→有機物分子ドーピング
高価数酸窒化物合成
→高酸窒素圧下合成で実現した
高陰イオンドーピングによる
高価数高硬度材料、蛍光体創造
陰イオン量増大
Ba2Ca2Cu3Oyの構造
CO2, Cl2吸収
による膨潤
可能な
層状結晶
技大のシーズ
有機物蒸気/
有機物蒸気/霧中地元企業のニーズ
細線放電 高密度プラズマ急冷
C
C
酸化防止
H
C
H
3
H
OC
O
O CO O C 3
O O
CO
Cu O C
O
O O
CO
O O O O OC
C
O C OC
3
硬質薄膜に関する
鈴木のシーズ
新高価数
陽イオン価数・電子
陽イオン生成
状態変化と物性発現
C
H
3
C
H
3
C
H
3
CO2, Cl2
デュアルパーパス超伝導体応用と
高温超伝導機構解明へ
微粒子作製
→ 有機物被覆金属粒子
C
H
3
C
H
C
H
3
C
H
3
3
市場：導電ペースト
新高硬度、蛍光体材料応用と
オーバードープ材料設計
コンセプト確立へ
積層セラミックコンデンサー
小型化
高酸素、窒素分圧下熱処理による
科学への貢献
教員の材料設計（原子価制御）指針
＋ 技大の極端条件技術
工学（社会）への貢献
高温金属上に低分解温度有機物被覆：
高圧相合成：パルスレーザー堆積、
高圧合成
オーバードープ：
パルスレーザー堆積、高圧合成
パルス細線放電高密度プラズマ急冷
11