生産と技術

第59巻第２号（2007）

レーザー衝撃エネルギーを利用した高圧非平衡物質の創製
研究ノート

佐 野 智 一＊Synthesis of high-pressure nonequilibrium materials using laser-driven shock energy
Key Words：laser, shock, high pressure, nonequilibrium material

撃圧縮法に対してはナノ秒以上のオーダーである．

１．はじめに

すなわち，従来の高圧発生法に対する除荷方法は時非平衡物質は室温常圧下では通常存在せず，安定間的に長く，急峻ではない．では，急峻な除荷方法

物質に外部から高いエネルギーを与えその高いエネは何があるかというと，それは減衰の速い衝撃波でルギー状態を凍結することによって生み出すことがある．減衰の速い衝撃波はどのようにしたら作れる出来る．馴染み深い例はダイヤモンドであり，ダイか？この問いには後で答える．

ヤモンドは炭素の高圧相である．自然界に存在する

本研究は2001年から始めた．当時の教授の先生

ダイヤモンドは地中深くに存在しその成因は未だ謎にフェムト秒レーザーを購入して戴き，材料の物質が多いが，人工的にはグラファイトを高温高圧にす

加工に対するフェムト秒レーザーの優位性を示す研ることによってダイヤモンドを作製することが可能

究データを出していた．しかし，ナノ秒レーザーなである．炭素の場合，炭素の低圧相であるグラファ

ど異なるスペックのレーザーと比較しての優位性は

イトと高圧相であるダイヤモンドの間に高いエネル示せても，フェムト秒レーザー特有の加工現象を見ギーバリアがあるため，いったんダイヤモンドに変出すことが出来ていなかった．フェムト秒レーザー

態した後そのバリアを超えるエネルギーを与えない特有の現象を探しているうちに思いついたのが，上限りダイヤモンドはグラファイトに変態しない．そ述した減衰の速い衝撃波である．

れでは，低圧相と高圧相の間に高いエネルギーバリ

非平衡物質は，安定物質にはない機能を示すことアが無い物質の低圧相を圧縮し高圧相転移させ，そがあり，その物性を評価することは興味深い．本手の状態からエネルギーを急激に減少させるとどうな

法は，物質にもよると思うが比較的簡便に高圧相をるであろうか？この疑問が，筆者がタイトルに示す作製することが出来るため，非平衡物質創製というテーマに取り組み始めたきっかけである．

観点で新しい手法になるのではないかと考えてい多くの物質に高圧相が存在するが，多くの高圧相る．２章でレーザー衝撃波について簡単に説明し，は高温高圧下でのみ存在し，圧力解放後低圧相に戻３章でその適用例をいくつか示す．

る．その圧縮法としては，準静的な静水圧縮法と動２．レーザー駆動衝撃波的な衝撃圧縮法があり，これらの除荷過程の時間オーダーは，静水圧縮法に対しては準静的であり，衝高強度レーザーを物質表面に照射すると，物質は瞬時にプラズマ化し，爆発的に除去される．この現象をレーザーアブレーションと言い，このアブレー＊Tomokazu SANO

ションにおける物質除去時の反跳力によって物質表

1973年10月生
1999年京都大学大学院工学研究科精密工学専攻修士課程修了
現在，大阪大学，大学院工学研究科，マテリアル生産科学専攻，学内講師，工学（博士），レーザー加工学，材料加工学
TEL 06- 6879- 7538
FAX 06- 6879- 7570
E-mail：sano@mapse.eng.osaka-u.ac.jp

面に衝撃波が駆動され，物質内部を伝播し，瞬間的に高温高圧状態が達成される．
高強度レーザーは２種類に大別することが出来，一つはパルス幅がナノ秒オーダーでパルスエネルギーが強大なナノ秒レーザーであり，もう一つはパル
スエネルギーは小さいがパルス幅がフェムト秒オー66

生産と技術第59巻第２号（2007）

希薄波が追随する．すなわち，定常衝撃波と比較して圧力減衰の速い衝撃波となる．従って，いったん誘起された高圧相が，速い圧力減衰のために凍結されるのではないかと期待した．
次章では，純チタンと純鉄の高圧相の凍結・合成例を簡単に示す．紙面の都合上，詳細は引用文献を参照して戴きたい．
３．高圧相合成
３．１ チタン１,２）
図１チタンの圧力―温度平衡状態図を図１に示す．フチタンの圧力―温度平衡状態図

ェムト秒レーザーを多結晶チタン（純度99.9%）にダーのフェムト秒レーザーである．これらはいずれ照射し，照射後の試料の結晶構造を電子線回折法とも高強度を得ることが出来るが，アブレーション過放射光X線回折法によって解析した．図２に示す通程には決定的な相違点がある．それは，アブレーシ

り，放射光X線回折測定の結果，高温高圧相であるョン時に発生するプラズマとレーザーパルスとの相β相が存在することが示された．β相の存在は，電互作用の有無である．ナノ秒レーザーの場合，レー子線回折測定からも示された．β相以外に，高圧相ザーパルスはプラズマと相互作用し，プラズマ膨張であるω相の存在も確認された．また，存在が議論による衝撃負荷があり，駆動される衝撃波のパルスされている新しいη相と考えられるdistorted-bcc

幅は長くなり，定常衝撃波となる．一方フェムト秒構造の存在が確認された．EBSDによる結晶方位解レーザーの場合，プラズマの放出はフェムト秒レー析マッピング結果から，これらの新しく誘起されたザーパルスの入射完了後に起こるため，フェムト秒相は照射部表面近傍にのみ存在することが分かっ

レーザーパルスとプラズマとの相互作用はなく，駆た．

動される衝撃波のパルス幅は短くなる．
３．１ 鉄３,４）
鉄の圧力―温度平衡状態図を図３に示す．フェムト秒レーザーを多結晶α鉄（純度99.99%）に照射し，照射後の試料の結晶構造を電子線回折法及び放射光X線回折法によって解析した結果，従来の衝撃圧縮法では凍結不可能である高圧相のε相が凍結されることが確認された．また，fcc構造も凍結されていることが確認された．衝撃誘起相転移は衝撃波

図２

フェムト秒レーザー照射・未照射試料の放射光
X線回折パターン

筆者は，後者のパルス幅の短い衝撃波を駆動できるフェムト秒レーザーに着目した．波長800nm，パルス幅100fsのレーザーパルスをスポットサイズ50μm程度に集光し，空気中で物質に照射した．用いたビーム強度分布はガウシアンに近いため，駆動される衝撃波は球面衝撃波となり，衝撃波頭の直後を

図３67

鉄の圧力―温度平衡状態図

生産と技術第59巻第２号（2007）

頭内部で起こる為，衝撃誘起相転移を理解する為に有効性は確認している．本手法が非平衡物質創製法は衝撃波頭内部の熱力学状態を知る必要がある．そとして，今後さらに発展するよう精進していく所存

５）である．

こで，衝撃波頭内部の温度を計算した ．その結果，衝撃圧縮そのものによってε相は誘起されるがfcc謝構造は誘起されず，α-ε転移の中間介在相として辞

ここで記した研究内容は，多くの共同研究者の誘起されることが示唆された．

方々の御協力によって成り立っている．まず，所属

X ．終わりに研究室でいつも議論して戴きアドバイスを戴いていフェムト秒レーザー駆動衝撃波によって単体金属る廣瀬明夫教授，阪大レーザー研での実験でお世話の高圧相が誘起され，凍結されることが示された．になっている兒玉了祐教授，尾崎典雅助手（いずれ

本手法は金属だけでなくあらゆる固体材料に適用でも阪大院工），SPring-8のBL13XUでのX線構造解きるため，高圧非平衡物質創製という新しい学問分析実験でお世話になっているビームライン管理者で野及び産業分野を開拓する有力なツールになり得るある坂田修身主幹研究員，衝撃現象に関して様々なと期待している．

アドバイスを戴いている熊本大学の真下茂助教授，その他多数の共同研究者の皆様にこの場をお借りし本手法による高圧相の誘起，凍結機構は未解明でて謝意を表す．

あるため，今後フェムト秒レーザーポンプ・プローブ法による時間分解ラマン分光あるいはX線回折な参考文献

どによって機構解明を行う予定である．また現在，

１）Sano et al., J. Appl. Phys.（to be submit-

高強度ナノ秒レーザーを用いた実験を，阪大工学研

ted）.

究科の他専攻の教員との共同研究によって，阪大レ

２）山本，佐野ら，第12回エレクトロニクスにーザー研の激光XII号を用いて行いつつある．この共同研究では物質状態の計測と試料回収を同時に行おけるマイクロ接合・実装技術シンポジウムう予定である．レーザーのパルス幅の違いが高圧非（Mate2006）予稿集，505（2006）.

平衡相凍結にどのように効いてくるのか，これらの３）Sano et al., Appl. Phys. Lett. 83, 3498
（2003）.

２種類のパルス幅の大きく異なるレーザーを用いる

４）Sano et al., Appl. Surf. Sci. 247, 571

ことによって明らかにするつもりである．

（2005）.

レーザー衝撃エネルギーを利用した高圧非平衡物

５）Sano et al., J. Appl. Phys. 90, 3754

質創製法は，原理的にあらゆる固体物質に適用でき（2001）., J. Appl. Phys. 90, 5576（2001）.

る．本報ではチタンと鉄の例しか示していないが，その他の物質に対する検討も現在行っており，その68