ナノ構造フィルム

ナノ構造フィルムは、転位、粒界、欠陥、双晶などのナノスケールの特徴を工学的に加工してできたフィルムです。ナノ粒子などの他のナノ構造とは対照的に、フィルム自体の厚さは最大数ミクロンですが、フィルム全体に均一に分散したナノスケールの特徴が集中しています。他のナノ材料と同様に、ナノ構造フィルムは、同じ組成のバルクの非ナノ構造材料には見られない独自の特性を持っているため、大きな関心を集めています。特に、ナノ構造フィルムは、同じ材料の通常のフィルムと比較して、強度、硬度、耐食性などの機械的特性が優れているため、最近の研究対象となっています。^[1]ナノ構造フィルムの例には、ナノ双晶超微粒子銅などの粒界工学によって生成されたものや、結晶性金属と非晶質金属ガラスのナノ複合材料などの二相ナノ構造化によって生成されたものなどがあります。^[2]

ナノ構造のフィルムは、通常、適切なターゲット材料からマグネトロンスパッタリングを使用して作成されます。 ^[3]フィルムは、銅などの純粋な金属ターゲットからスパッタリングして形成された元素の性質を持つか、複合材料で構成されます。スパッタリング速度、基板温度、スパッタリング中断などのパラメータを変更することで、さまざまなナノ構造の要素を持つフィルムを作成できます。マグネトロンスパッタリングで生成されたフィルムを使用して、ナノ双晶の制御、特定の種類の粒界の調整、および転位の移動と伝播の制限が実証されています。^[4]

ナノ構造フィルムの特性評価に使用される方法には、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子後方散乱回折、集束イオンビームミリング、ナノインデンテーションなどがあります。^{[1] [2]}これらの技術は、転位、双晶、粒界、フィルムの形態、原子構造などのナノスケール構造を画像化できるため使用されます。

ナノ構造フィルムは、通常の同等のフィルムと比較して機械的および物理的特性が優れているため、注目されています。純銅で構成された元素ナノ構造フィルムは、ナノ双晶フィルムがより高い粒界率を持つため、優れた熱安定性を持つことがわかっています。^[1] より高い熱安定性を持つことに加えて、高度にナノ双晶化された銅フィルムは、ナノ双晶の濃度が低い銅フィルムよりも優れた耐食性を持つことがわかっています。^[5] ナノ双晶が存在する材料の粒子の割合を制御することは、優れた耐食性を備えたより安価な合金やコーティングに大きな可能性を秘めています。

同じ材料の非晶質ガラスシェルで包まれた結晶質 MgCu ₂コアで構成された複合ナノ構造フィルムは、ほぼ理想的な機械的強度を持つことが示されています。 ^[2]結晶質 MgCu ₂コアは、通常 10 nm 未満の大きさで、転位や粒子の動きを制限することで材料を大幅に強化することがわかっています。また、コアは材料内のせん断帯の動きを制限することで材料全体の強度に寄与することもわかっています。このナノ構造フィルムは、逆ホールペッチ効果やせん断帯軟化効果などの挙動を示し、理想的な強度値に到達できない結晶質金属と非晶質金属ガラスの両方とは異なります。^[2]

優れた機械的特性を持つナノ構造フィルムにより、これまで使用できなかった材料を新しい用途に利用できるようになり、航空宇宙、エネルギー、その他の工学分野など、コーティングが多用される分野の進歩が可能になります。^[6] ナノ構造フィルムの生産スケーラビリティはすでに実証されており、産業界におけるスパッタリング技術の普及により、ナノ構造フィルムを既存の用途に組み込むことが容易になると予測されています。^[4]

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