投稿日:

自己配向性セラミックスコーティングに関する研究成果 :: CVD of highly oriented ceramic coatings (JCS-Japan, 2021)

伊藤がこれまでに取り組んできた研究成果の一部を、Journal of the Ceramic Society 誌に Review 論文としてまとめました。論文題目は「Chemical vapor deposition of highly oriented ceramic coatings in a high-intensity laser irradiation」です。本研究は、Open Access 論文として、2021年8月30日付で公開されました。

化学気相析出 (CVD: Chemical Vapor Deposition) 法に高強度レーザー照射を導入することで、気相と膜界面における析出反応が促進され、セラミックスコーティング製造における高速成膜と自己配向成長を実現できます。電子顕微鏡 (SEMやTEM) 観察を通じて、柱状、羽状、単結晶などのユニークな微細構造を持つセラミックスコーティングを合成できることが明らかにしてきました。

我々が研究しているCVDプロセスは、エンジニアリングセラミックス材料の高速エピタキシャル成長と優れた物性発現の両立を可能にするものであり、酸化物、窒化物、炭化物、およびそれらの化合物や複合体を高速で成膜することができます。本レビュー論文では、Al2O3, TiO2, Al2TiO5, BaAl12O19, BaTiO3, YBa2Cu3O7, CeO2 といった伝統的セラミックス材料として知られながらも現在でも実用材料として使用される一連のエンジニアリングセラミックス材料について、自己配向成長やナノ構造を制御したセラミックスコーティングを合成することで、新たな価値を付与することができることを示しています。

A. Ito, Chemical vapor deposition of highly oriented ceramic coatings in a high-intensity laser irradiation, Journal of the Ceramic Society of Japan. https://doi.org/10.2109/jcersj2.21135

Link to ScienceDirect Topics: chemical vapor deposition

投稿日:

希土類シリケート系耐環境コーティングのCVD合成に成功 :: First CVD of ytterbium silicates for environmental barrier coatings (Ceram. Int., 2020)

SIP-SM4I プロジェクトで取り組んできた研究成果の一部が、Ceramics International 誌に受理されました。原朋弘君 (2018年度修了) の研究成果が含まれます。論文題目は、「Self-oriented growth of β-Yb2Si2O7 and X1/X2-Yb2SiO5 coatings using laser chemical vapor deposition」です。

戦略的イノベーション創造プログラム (SIP: Strategic Innovation Program) 「革新的構造材料 (SM4I: Structural Materials for Innovation」では、「強く、軽く、熱に耐える材料を航空機へ」をモットーに、研究開発が推進されてきました。SiC繊維強化SiCセラミックス複合材料 (SiC/SiC-CMC) は、現用の耐熱合金を代替し、タービンブレードの軽量化と耐熱性向上に貢献する材料です。民間機エンジンの高温部材の一部に採用がはじまっていますが、今後さらに適用範囲を拡げていくためには、部材を高温の酸素・水蒸気雰囲気から保護する耐環境コーティング (EBC: Environmental Barrier Coating) の開発が必須です。

A schematic of turbofan engine for airplanes
A schematic of a turbofan engine for airplanes. “3D Printable Jet Engine” modeled by CATIAV5FTW licensed under CC-BY-NC 4.0.

Ybシリケート (Yb2Si2O7およびYb2SiO5) は、高温水蒸気雰囲気下での耐減肉性に優れることから、EBC材料として期待されます。 化学気相析出 (CVD: Chemical Vapor Deposition) 法は、原料ガスの基材上での析出反応を利用したコーティング手法であり、複雑形状物を比較的高速に被覆できる特長があります。しかし、シリケート化合物はガラス相が生成しやすく、これまでCVD法を用いて結晶質のYbシリケートを得ることは困難でした。

本論文では、熱CVD法とレーザー加熱CVD法を用いてYbシリケート膜を合成し、それぞれのCVDプロセスにおいて、成膜温度がYbシリケート膜の生成相や結晶配向、微細組織に与える影響を明らかにしました。 Ybシリケートが自発的に結晶方位を揃えて気相成長する自己配向成長効果 (self-oriented growth) を見出し、各結晶相の自己配向成長効果を結晶学の観点から整理しました。さらに、熱処理試験による各被膜の微細構造の変化を調べました。

Graphical abstract for "Self-oriented growth of ytterbium silicates via chemical vapor deposition"
Graphical abstract for “Self-oriented growth of ytterbium silicates via chemical vapor deposition”

伊藤暁彦研究室では引き続き、CVD法を用いた繊維強化セラミックス複合材料の信頼性向上に向けたコーティング技術および材料探索を行っていきます。

本研究成果は、内閣府総合科学技術・イノベーション会議 戦略的イノベーション創造プログラム「革新的構造材料」『耐環境セラミックスコーティングの構造最適化及び信頼性向上 』 (管理法人: JST) の支援を受けて得られたものです。 本研究成果の一部は、日本学術振興会 科研費・基盤研究 (B) (17H03426) の支援を受けて得られたものです。

A. Ito, M. Sekiyama, T. Hara, T. Goto, Self-oriented growth of β-Yb2Si2O7 and X1/X2-Yb2SiO5 coatings using laser chemical vapor deposition, Ceramics International. http://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.12.217.

Link to ScienceDirect topics: silicate

投稿日:

酸化タングステンの選択的自己配向成長 :: Selective self-oriented growth of tungsten trioxide for electro- and gas-chromic materials (Mater. Lett., 2020)

森下裕貴君 (B4) の研究成果が、Materials Letters 誌に受理されました。論文題目は、「Selective self-oriented growth of (200), (002) and (020) δ-WO3 films via metal-organic chemical vapor deposition」です。

WO3は、電圧印加やガス吸着により光学的特性が変化する物性を示し、それぞれをエレクトロクロミズムおよびガスクロミズムと呼びます。これら物性の用途として、調光ガラスやガスセンサが挙げられます。また、WO3は、光触媒材料としても期待されます。

森下君は、WO3系セラミックスの化学気相析出 (CVD: Chemical Vapor Deposition) に関する研究を進める中で、δ相WO3単相膜の高速CVD合成に成功し、従来CVD法の2倍～350倍の成膜速度を達成しました。また、これらの化合物が自発的に結晶方位を揃えて気相成長する自己配向成長効果 (self-oriented growth) を見出しました。さらに、W原料の気化温度により、自己配向成長方位を、(200)面、(002)面、(020)面にそれぞれ制御することが出来ました。

Graphical abstract for "Self-oriented growth of tungsten trioxide"
Graphical abstract for “Self-oriented growth of tungsten trioxide”

伊藤暁彦研究室では引き続き、CVD法により合成したWO3の光学的特性や触媒特性の評価を進める一方、タングステン系セラミックスの材料探索を行っていきます。

尚、本研究成果の一部は、日本学術振興会科研費・基盤研究 (B) (17H03426) の支援を受けて得られたものです。

A. Ito, Y. Morishita, Selective self-oriented growth of (200), (002), and (020) δ-WO3 films via metal-organic chemical vapor deposition, Materials Letters. http://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.126817.

投稿日:

耐環境コーティング向けハフニアの選択的自己配向成長 :: Selective self-oriented growth of hafnia for environmental barrier coating (Ceram. Int., 2020)

松本昭源君 (M2) の研究成果が、Ceramics International 誌に受理されました。論文題目は、「Highly self-oriented growth of (020) and (002) monoclinic HfO2 thick films using laser chemical vapor deposition」です。

HfO2 (酸化ハフニウム) は、融点が高く、靭性や遮熱性に優れる高温構造材料です。切削工具向けの硬質コーティングや航空機向けターボファンエンジンの耐環境性コーティングへの応用が期待されます。松本君は、HfO2の化学気相析出 (CVD: Chemical Vapor Deposition) に関する研究を進める中で、単斜晶HfO2が自発的に結晶方位を揃えて気相成長する自己配向成長効果 (self-oriented growth) を見出しました。

本論文では、熱CVD法とレーザー加熱CVD法を用いてHfO2膜を合成し、それぞれのCVDプロセスにおいて、成膜温度がHfO2膜の結晶配向や微細組織、成膜速度に与える影響を明らかにしました。特に、c面配向HfO2膜については、透過型電子顕微鏡を用いた組織観察を行い、c面配向HfO2膜を構成する柱状晶は単結晶様であることを明確にしました。また、自己配向成長効果を、結晶学の観点から考察しました。

Graphical abstract for “Selective self-oriented growth of hafnia”
Graphical abstract for “Selective self-oriented growth of hafnia”

伊藤暁彦研究室では引き続き、CVD法により合成したHfO2の機械的特性や光学的特性の評価を進める一方、ハフネート系セラミックスの材料探索を行っていきます。

尚、本研究成果の一部は、日本学術振興会科研費・基盤研究 (B) (17H03426) の支援を受けて得られたものです。

S. Matsumoto, Y. Kaneda, A. Ito, Highly self-oriented growth of (020) and (002) monoclinic HfO2 thick films using laser chemical vapor deposition, Ceramics International. http://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.09.156.

Link to ScienceDirect Topics: hafnium

投稿日:

ケイ酸マグネシウムの選択的自己配向成長 :: Self-oriented growth of magnesium silicates, forsterite and orthopyroxene, for optical materials (Ceram. Int., 2019)

伊海雅和君 (2019年3月修了) の研究成果が、Ceramics International 誌に受理されました。論文題目は、「Self-oriented growth of (020) MgSiO3-orthopyroxene and (002) α-Mg2SiO4 films using metal-organic chemical vapor deposition」です。

MgSiO3は、地殻や隕石中に見いだされる鉱物であり、様々な結晶多形 (orthopyroxene (opx), clinopyroxene (cpx), protopyroxene (ppx), garnet, ilmeniteおよびperovskite) をとります。一方、Mg2SiO4も多形をとり、α相はフォルステライトと呼ばれ、ファインセラミックスとして電子部品や回路基板に用いられます。また、賦活元素をドープしたα-Mg2SiO4結晶は、レーザー媒質としても利用されます。

伊海君は、 Mg–Si–O系セラミックスの化学気相析出 (CVD: Chemical Vapor Deposition) に関する研究を進める中で、MgSiO3-opxおよび α-Mg2SiO4単相膜の合成に成功し、これらの化合物が自発的に結晶方位を揃えて気相成長する自己配向成長効果 (self-oriented growth) を見出しました。この自己配向成長効果は、 結晶学の観点から整理しました。

Graphical abstract for “Self-oriented growth of magnesium silicates, forsterite and orthopyroxene”
Graphical abstract for “Self-oriented growth of magnesium silicates, forsterite and orthopyroxene”

伊藤暁彦研究室では引き続き、CVD法を用いたMg–Si–O系セラミックスの材料探索や結晶成長プロセス開発、光学特性の評価を行っていきます。

尚、本研究成果の一部は、日本学術振興会科研費・基盤研究 (B) (17H03426) の支援を受けて得られたものです。

M. Ikai, A. Ito, Self-oriented growth of (020) MgSiO3-orthopyroxene and (002) α-Mg2SiO4 films using metal-organic chemical vapor deposition, Ceramics International. http://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.03.212.

Link to ScienceDirect topics: garnet, ilmenite and perovskite