JP2018001068A - 材料製造装置、および、材料製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】短時間かつ低コストで材料を製造する。【解決手段】材料製造装置１００は、ナノ構造の可飽和吸収体を含んで構成される犠牲層１５０が積層された被処理層１４０に、ピコ秒以下のパルス幅のレーザ光を照射するパルスレーザ照射部１１０を備える。なお、被処理層１４０における犠牲層１５０と反対側の面には基体１３０が積層されてもよい。材料製造装置１００によれば、簡易な処理で被処理層１４０に超高圧を印加することができる。【選択図】図１
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。
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。
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。
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)
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。
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。
上記課題を解決するために、本発明の材料製造装置は、ナノ構造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る。
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。
また、前記ナノ構造の可飽和吸収体は、カーボンを含んで構成されるとしてもよい。
また、前記犠牲層は、前記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てなるとしてもよい。
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、ナノ構造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、を含む。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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（Ａｌ２Ｏ３））で構成される。
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＋、Ｈ２ ＋、Ａｒ＋、Ｈ２Ｓ＋等）が注入された固体である。
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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
（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。
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。
（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。
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。
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。
（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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
（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。
（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。
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（ＣＨ４）、水素（Ｈ２）、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。
（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。
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。
（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２×２ｍｍ２であり、スパッタレートはＳｉＯ２換算で８．７７ｎｍである。
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２×２ｍｍ２であり、スパッタレートはＳｉＯ２換算で８．７７ｎｍである。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、ＳｉＯ２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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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ＳｉＯ２に変化したと考えられる。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
Claims (7)
- ナノ構造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た材料製造装置。
- 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。
- 前記ナノ構造の可飽和吸収体は、カーボンを含んで構成される請求項１または２に記載の材料製造装置。
- 前記犠牲層は、前記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てなる請求項１から３のいずれか１項に記載の材料製造装置。
- 被処理層に、ナノ構造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、
を含む材料製造方法。 - 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５に記載の材料製造方法。
- 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５または６に記載の材料製造方法。
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