【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】24360044 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マルチスケール解析 / 摩擦 / 凝着 / 樹脂 / 機械材料・材料力学 / 有限要素法 / 分子動力学 / 摩擦係数

【研究成果の概要】

固体間摩擦はマルチスケールのラフネス（multi-asperity）が関与する複雑系の現象であることがわかってきている．本研究では，ラフネスのスケールをマクロ・メゾ・ナノの三つに領域に分け，それぞれのスケールのモデリングを統合するマルチスケールシミュレータを開発する．すなわち，マクロスケールのうねりには陽解法接触・摩擦有限要素法を，メゾスケールのフラクタル（セルフアフィン）なラフネスにはPerssonモデルを，ナノスケールのラフネスには分子動力学シミュレーションを用い，それぞれのスケールを有機的につなぐことを試みた．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円)

【研究分野】材料加工・処理

【研究領域課題番号】13450292 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

凝着 / 原子間力顕微鏡 / 超高真空 / 分子動力学 / 結合状態 / 界面 / 電子分光 / 表面分析

【研究成果の概要】

我々が世界で初めて完成させた表面分析装置内における任意固体間の凝着力計測システムを利用し,厳密な可逆接合の可能性について,実験的・理論的検討を行った.
超高真空の表面分析装置内における固体間凝着力計測システムに組み込むことのできる,超高真空対応の変位・荷重制御システムを設計・試作した.ピエゾ素子を用いることにより,従来出来なかった荷重及び変位の制御が可能であるようなシステムとなった.さらに,それを制御する為にVisualC++を用いて,汎用性の高い制御プログラムを作成した.固体間凝着力が発生する系で弾性変形領域で凝着実験を行い,凝着力の発生を確認した後,オージェ電子分光法にて固体表面を分析したが,"こびりつき"は観測されなかった.塑性変形領域で凝着実験を繰り返したのち,オージェ電子分光法にて固体表面を分析した場合は,"こびりつき"が観測され,厳密な可逆過程の可能性が示唆された.理論的な面では凝着力を利用した可逆接合による接合面の強度をみつもった.弾性連続体の半無限固体と正弦波状の凹凸をもつ剛体の接触の際に,接触領域の面積,界面における応力分布,全系のエネルギーを外部応力の関数としてあらわした.将来の分子力学近似による検討のためのポテンシャルとして修正埋め込み原子法(EAM)が有効であることを明らかにした.従来のEAMの表面やクラスターに対する問題点を克服する方法について検討した.新しい二量体参照と言う概念を導入する事で,大規模系への適応性を高めたEAMを提案した.高剛性化した力計測メカニズムの検討も行った.無次元化剛性で従来で一番剛性の高いシステムを構築する事ができた.それを用いた固体間凝着力計測によりフォースカーブを計測し,我々が構築してきた理論を用いて解釈する事ができた.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】4,900千円 (直接経費: 4,900千円)

【研究分野】材料加工・処理

【研究領域課題番号】10555244 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

凝着 / 原子間力顕微鏡 / 超高真空 / 分子動力学 / 結合状態 / 界面 / 電子分光 / 表面分析 / (1)凝着 / (2)原子間力顕微鏡 / (3)超高真空 / (4)分子動力学 / (5)結合状態 / (6)界面 / (7)電子分光 / (8)表面分析

【研究成果の概要】

我々は,超高真空容器内で固体表面をイオンスパッターし,表面から十数原子層の元素分析および価電子状態分析で吸着元素の影響の無いことを確認した後,固体間に働く力を計測してきた.その結果,ほとんどの材料が,無加熱・無加圧で接合できる実験的事実を示してきた.また,そのためのクライテリオンを物性値と表面荒さの関数として表せることを示してきた.そこで本研究では,それらの成果を利用して,平方ミリメーターオーダーの試料に対する無加熱・無加圧接合システムを完成させることを目指した研究をおこなった.
本年度は従来の実験的検討に加え,理論的な検討も行った.凝着力を利用した可逆接合による接合面の強度を見積もった.弾性連続体の半無限固体と正弦波状の凹凸をもつ剛体の接触の際に,接触領域の面積,界面における応力分布,全系のエネルギーを外部応力の関数としてあらわした.従来知られているJohnsonの解が近似解であることが判明し,我々の解が厳密解であることが明らかになった.一方,連続体近似の限界を見据え,将来の分子力学近似による検討のためのポテンシャルとして修正埋め込み原子法の表面(界面)問題適応性を検討した.信頼できる実験結果のあるいくつかの表面(例えば,金,銀,Pd,等FCC金属の(110)面のミッシングロー構造,やSi(111)面のDAS構造など)について,そのポテンシャルを用いて安定構造を計算し,実験事実と比較した.修正埋め込み原子法は原理的にバルクのためのポテンシャルではあるが,表面問題に対する適応性も有る程度あることを明らかにした.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】6,300千円 (直接経費: 6,300千円)

【研究分野】材料加工・処理

【研究領域課題番号】10450267 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

凝着 / 原子間力顕微鏡 / 超高真空 / 分子動力学 / 結合状態 / 界面 / 電子分光 / 表面分析

【研究成果の概要】

ゼロエミッションもしくは素材のリサイクルのために,固体間凝着現象において,厳密な可逆接合が可能となるか否かについて,実験的・理論的検討を行った.実験的検討には,我々が世界で初めて完成させた表面分析装置内における任意固体間の凝着力計測システムを利用した.理論的検討としては,連続体近似理論および修正埋め込み原子法を用いた数値計算によって検討した.
固体間凝着力が発生する系で弾性変形領域で凝着実験を行い,凝着力の発生を確認した後,オージェ電子分光法にて固体表面を分析したが,"こびりつき"は観測されなかった.塑性変形領域で凝着実験を繰り返したのち,オージェ電子分光法にて固体表面を分析した場合は,"こびりつき"が観測された.6ホウ化ランタンをフィラメントとする電子銃によるオージェ電子分光装置では観測できない程度の"こびりつき"は無い場合があることから,厳密な可逆過程の可能性が示唆された.
理論的な面では凝着力を利用した可逆接合による接合面の強度をみつもった.弾性連続体の半無限固体と正弦波状の凹凸をもつ剛体の接触の際に,接触領域の面積,界面における応力分布,全系のエネルギーを外部応力の関数としてあらわした.従来知られているJohnsonの解が近似解であることが判明し,我々の解が厳密解であることが明らかになった.将来の分子力学近似による検討のためのポテンシャルとして修正埋め込み原子法が有効であることを明らかにした.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】6,000千円 (直接経費: 6,000千円)

【研究分野】材料加工・処理

【研究領域課題番号】07405033 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

凝着 / 原子間力顕微鏡 / 超高真空 / 分子動力学 / 結合状態 / 界面 / 電子分光 / 表面分析 / AFM / AES

【研究成果の概要】

平成7年度に,超高真空対応のマニュピレーションシステムを納入した.このシステムは既製品でもまた既製品の組み合わせでも無く,従来不可能であった計測を可能にした.しかし,さらに1軸の自由度と,正確な温度制御システムがあれば,より明確な観察と電子の浸み出し効果に関する実験的検討を行うことができることが判明した.
そこで,表面分析装置の超高真空とイオンスパッターシステムに,マイクロマニピュレーターを組み合わせる事により,(1)表面吸着(汚染)物質の無い状態で,(2)様々な材料の組み合わせに対し,(3)表面の価電子状態(化学結合状態)を知った上で,(4)接触部をその場観察しながら,固体間凝着力を計測するシステムを作成することができた.表面拡散効果を明らかにするため,さらに加熱ステージの装着にも成功した.
今までの実績のある系として,金とシリコンウエハを中心に固体間凝着力の計測を行った.結果は,弾性連続体近似の接触理論および分子動力学的手法による計測と比較検討された.現象は,これらの理論的取り扱いでおおむね問題ないが,イオンスパッターによる表面のダメ-ジによる凝着力の変化は,表面エネルギーよりもむしろ表面の変形能に依存する可能性が示唆された.その場観察しながら凝着力を計るには試料形状に工夫が必要であることなど今後の課題も明らかになった.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】21,700千円 (直接経費: 21,700千円)

【研究分野】材料加工・処理

【研究領域課題番号】07305058 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

凝着 / 原子間力顕微鏡 / 超高真空 / 分子動力学 / 結合状態 / 界面 / 電子分光 / 表面分析 / 無加圧 / 接合 / 拡散

【研究成果の概要】

研究代表者が中心となり,無加熱.無加圧接合における密着プロセスに関する包括的な検討がなされた.点接触に対する理想状態における実験および理論(連続体近似の弾性接触理論および分子動力学)の比較より,これらのモデルが現象をよく表していることを示した.分担者(高橋邦夫)はさらに,それに基づき,無加熱・無加圧接合のための表面粗さに対するクライテリオンを導出した.その傾向は分担者(須賀)らの実験とよく一致した.定量的な検討の必要性が示唆された.分担者(高橋康夫)らは,接合後の界面における界面拡散現象による物質移動の評価を行った.界面拡散の過渡現象が室温程度でも物質移動を促進する可能性を示唆した.分担者(志水)はイオン衝撃の効果について検討した.分担者(高橋邦夫)による実験的検討でイオン衝撃の効果が表面エネルギーよりもむしろ最表面原子の変形能によっている可能性が示唆された.この件に関しては,接合プロセスにおける表面処理のあり方を模索する上で,極めて重要であることが示唆された.今後さらなる検討が必要であろう.表面状態の分析手法に関しては分担者(関根)がその限界を示した.表面粗さの制御に関しては,分担者(清宮)がその限界を明らかにした.
平成8年8月に研究代表者らはシンポジウムを開催した.これらの結果の一部を各学協会の協力の下に公開し広く意見を募った.本国の次世代基盤産業としての可能性から,さらなる研究の必要性が指摘されるとともに,国際協力と情報公開の促進について積極的な意見が多数あった.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】7,800千円 (直接経費: 7,800千円)