CW-LBI 法によるガラス内部への強誘電性結晶微細パターンの形成
東京工業大学 物質理工学院・材料系
助教 岸 哲生（平成 26 年度 奨励研究助成 AF-2014225）
キーワード：CW レーザー，ガラス，内部改質

１．研究の目的と背景した．このバッチを白金ルツボに入れ，1550ºC で 1 時間溶

比田井ら 1)によって開発された CW-LBI 法（Continuous

融しグラッシーカーボン板上に流し出して急冷した．ガラ

wave laser backside irradiation: CW レーザー背面照射

スの均質性を高めるために 2 次溶融を行った．細かく粉砕法）は，ガラスの背面に金属箔を密着させガラス越しに高したガラスを再び白金ルツボに入れ 1550ºC で 3 時間溶融

出力の CW レーザーを集光照射することで，ガラス内部にし，グラッシーカーボン板上に流し出した．その後，速やライン状の変質部を形成する手法である．変質部の形成プ

かに 760ºC の徐冷炉に移して 1 時間保持した後，毎分 1ºC

ロセスとしては，（1）透明材料内部へのレーザー照射によで室温まで冷却した．得られたガラスを 20mm 四方，厚さるフィラメンテーション現象 1)と，
（２）レーザー照射に

4mm の板状に切り出し，レーザー照射および内部観察のたより金属微粒子が形成しガラス内部に導入されてレーザめに 4 面を研磨して鏡面とした．

ー光源方向に移動する現象 2)の２種類が報告されている．
いずれの現象でも，ガラスの内部に光学的に検知可能な変2.2 CW-LBI 法による CaO-Al2O3-SiO2 ガラスへの SUS 球の質部が形成される．前者の現象によりシリカガラス内部に導入と移動

仮想温度の異なる領域をライン状に形成できることがわ

CAS ガラスに直接 SUS 箔を押し付けて SUS 球を導入しよかっている．後者の金属微粒子の移動によってもガラス内うとしたところ，ガラスが割れてしまった．そこで，まず部の改質が可能で，レーザー照射によって金属微粒子が高パイレックスガラス（Pyrex®，Corning 7440, Corning

温に加熱され，周囲のガラスを軟化させながら移動するこInc.）に SUS 球を導入して CAS ガラスに SUS 球を移し変えとで変質部が形成される．この変質部はガラスが高温・高た．図１に本研究で用いた光学系の模式図を示す．厚さ

圧状態に置かれたことで生成された相となる．

0.01mm の SUS304（Nilaco Corp.）箔を Pyrex ガラスに密我々は，CW-LBI 法により誘起される金属微粒子の移動

着させ，箔とパイレックスガラス接触面の反対面に CAS ガ

によるガラスの内部改質に着目した．高温・高圧環境下でラスを設置した．波長 1064nm の CW レーザー（RFL-

ガラス内部に引き起こされる構造変化を利用して局所的

C020/A/2/A , Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies）に組成変動や結晶析出を促すことで機能性材料を創出すをレンズ（NYTL-30-40PY1，Sigma Koki Co., Ltd.）によることを目指している．本研究では，母ガラス組成としてり集光し CAS ガラスおよび Pyrex ガラス越しに SUS 箔に

CaO-Al2O3-SiO2 系を対象とし，CW-LBI 法による SUS 球の導照射した．SUS はレーザー光を吸収し加熱されて溶融し入および移動によりガラス内部にライン状の変質部を形

Pyrex ガラスに半径数十 µm の球として導入された．この成する．このガラス系は，マグマやスラグの構成成分であ球はレーザー光源方向に自発的に移動しレーザーの焦点

り地球科学や鉄鋼材料における研究対象とされ，物性や構位置から離れていき，パワー密度が十分に低下した地点に造に関する知見が広く調査されている 3)．また，ゲーレナ

到達すると停止する．試料を固定している治具を電動ステ

4)

イト（Ca2Al2SiO7）のような圧電結晶 を含む系でもあり，
機能性材料として興味深い組成系となりえる．本報告では，
CW-LBI 法によるガラスを基板とした機能性材料の作製に向けて，CW レーザー照射による金属球の運動解析と，それによって誘起されるガラスの組成変化について述べる．

２．実験方法
2.1 CaO-Al2O3-SiO2 ガラスの作製
ガラス（以下，CAS ガラス）
30CaO-10Al2O3-60SiO［mol%］2を通常の溶融急冷法により作製した．得られるガラスが100g となるように，ガラス原料（CaCO3，Al2O3 および SiO2）を秤量し，ガラス乳鉢を用いてエタノールにより湿式混合ージにより移動させることでレーザーの焦点位置を動かれることがわかる．

して SUS 球を逐次動かし CAS ガラスへと移した．CAS ガラ
スへ SUS 球を導入した後，すぐにレーザーを切り SUS 球を

３.２ CAS ガラス内部における SUS 球の運動解析停止させた．その後，レーザーを再照射して SUS 球を CAS

図３は，横方向から SUS 球の位置を捉えた画像を解析

ガラス内部で移動させた．SUS 球の運動を CCD カメラ

し，照射開始後の移動距離を時間に対してプロットしたも（LUMIX DMC-G6, Panasonic）で横方向から撮影した．撮のである．図３(a)および(b)のレーザー照射パワー密度は

影した画像をフリーソフト ImageJ で解析し，各時間におそれぞれ 32kW/cm2 および 62kW/cm2 である．SUS 球の位置

ける SUS の移動距離を計測した．

の時間に対する差分を計算することで図４の速度の時間変化を得た．図４(a)は照射パワー密度が 32kW/cm2 で直径

2.3

SUS 球の移動した軌跡に形成される CaO-Al2O3-SiO2

ガラス内部の変質部の評価

約 42µm の SUS 球の時間に対する速度の変化である．SUS
球はレーザー照射開始とともに徐々に加速し，8 秒後に最電子線マイクロアナライザー（EPMA：Electron probe

高速度 23µm/sec に到達した後減速していく．照射パワー

micro-analyzer（JXA-8200, JEOL））により，CW-LBI 法に密度が 62kW/cm2 の場合（図４（b）），移動開始直後の SUS

より CAS ガラス内部に形成した変質部の組成の変化を評

球の速度が速すぎて移動開始直後の加速領域を捉えるこ価した．SUS 球の移動方向に対して垂直または水平に試料とができなかったが，図４（a）と同様に照射直後に加速を切断し，表面を平滑に研磨した面の定性および定量分析

して最高速度に到達した後，減速していくことがわかる．

を行った．

CW-LBI 法では，金属球がレーザー光を吸収し加熱され，その熱が周囲のガラスに伝わることでガラスの温度が上３．研究成果昇する．軟化点以上の高温になったガラスを金属球が押し３.１ CAS ガラスへの SUS 球の導入

のけながらレーザー光源方向へ移動しているものと考え

図２は，SUS 球の移動過程を透過照明系で撮影したスナ

られている 5)．抵抗力を受けながら移動する物体の減速は，ップショットである．図 2(a)および(b)はそれぞれレーザ

加速度が速度に比例している場合には粘性抵抗が支配的ー照射パワー密度が 32kW/cm2 および 62kW/cm2 の画像であであり，加速度が速度の２乗に比例する場合には慣性抵抗

2る．低いパワー密度（32kW/cm ）の場合，CAS ガラス中のが支配的であることが知られている．図５に，照射パワー

SUS 球はレーザー照射と同時にゆっくりと動き始める．そ密度 32kW/cm2，直径約 42µm の SUS 球の加速度を速度に対の全ての軌跡は画像の暗い部分となって確認できる．一方，

してプロットした．この図から，SUS 球の加速度は，移動

2

高いパワー密度（62kW/cm 以上）のレーザーを照射した場

開始直後は一定で加速していき，速度の２乗に比例して減合，照射開始直後に SUS 球は急速に移動しその後減速す速した後，速度に比例して減速していく．つまり，CW レー

る．移動開始直後のガラスには光学的な変質部は確認でき

ザー照射による SUS 球の運動は，レーザー照射開始直後はないが，減速していくにつれて画像の暗部として視認でき

等加速度運動で加速し，その後慣性抵抗続いて粘性抵抗をるようになる．レーザー照射パワーに応じて SUS 球の運動受けながら減速していくことがわかる．物体の運動が粘性は異なり，それに応じて光学特性の異なる変質部が形成さ

力または慣性力のいずれに支配されるかは，レイノルズ数

Re = ρVr/μ（ρ：密度，V：速度，r：球の半径，μ：粘度）によって決まる．SUS 球が慣性抵抗を受ける運動を示すということは，ガラスは非常に低い粘性つまり極めて高い温度になっていると考えられる．
３.３ SUS 球の移動により CAS ガラス内部に形成された変質部の組成変動
CW-LBI 法により CAS ガラス中を SUS 球が移動して残された軌跡の組成分布を EPMA により分析した．図６は直径約 50µm の SUS 球の軌跡を進行方向に対して垂直に切断した断面の透過光学顕微鏡写真（図６(a)）および EPMA による元素分析マッピング（図６(b)）である．光学顕微鏡で確認できる変質部の直径は 47µm で，この場所を通過した
SUS 球の大きさとほぼ同じサイズである．EPMA のマッピン
グの結果から，変質部の中心部は円周部に比べて Ca の濃度が低く Si の濃度が高いこと，Fe は円周部に多く分布していること，Al にはほとんど組成変化がないことがわかる．

SUS 球の運動とガラス内部の組成変動の関係を調査す

ガラス内部に作り込むことが可能であることを示唆してるために，SUS 球の運動解析を行った試料を用いて，そのいる．本研究で得られた知見を基に，ガラス組成，金属の移動方向に対して平行に切断・研磨し，光学顕微鏡観察お種類，レーザー照射条件を検討していくことでガラスの内

よび EPMA による組成分析を行った．図７（a）は作製した部改質による機能性材料の開発へとつながるものと期待

断面の透過光学顕微鏡写真である．SUS 球移動時のレーザ

してる．

ー照射パワー密度は 62kW/cm2，SUS 球の直径は約 42µm であった．SUS 球が 170µm 移動するまではその軌跡を視認で

４．結論

きないが，170µm 以上の位置では黒色の軌跡が確認できる．

CaO-Al2O3-SiO2 ガラスに対して CW-LBI 法を適用し SUS

黒色の変質部が確認できない領域での移動速度は球の運動解析およびガラスの局所的な内部改質を行った．

250µm/sec 以上と速く，SUS 球は慣性抵抗を受ける運動をCAS ガラス内部での SUS 球の運動は，等加速度で加速して示した．SUS 球の運動のメカニズムに応じて形成される変最高速度に到達した後，慣性抵抗続いて粘性抵抗を受けな質部の光学物性が変化していると推測される．図７（a）

がら減速した．慣性抵抗を受けた軌跡では，微量の Fe がで示した慣性抵抗領域および粘性抵抗領域における組成

残存し母ガラス組成に変化はなかった．粘性抵抗を受けた分布を測定した結果を図 7（b）および（c）にそれぞれ示

領域では，軌跡の中心で SiO2 濃度が増加し CaO 濃度が減す．SUS 球が慣性抵抗を受けながら移動した領域では，母少し，最大で 6mol%の組成変化が誘起されることを明らか

ガラスの組成にはほとんど変化がなく，SUS 球の主成分でにした．CW-LBI 法により微細な組成変動をガラス内部にある Fe が軌跡の中心部分において増加している．一方，形成することが可能であることを明らかにした．

粘性抵抗領域では軌跡の中心における SiO2 濃度が母組成

謝に比べて約 6 mol%増加し，逆に CaO 濃度が約 6mol%減少し

辞

た．Al2O3 の濃度には変化がなかった．FeO の濃度は軌跡の本研究は，公益財団法人天田財団平成 26 年度奨励研究

外周部で増加した．SUS 球の移動速度が速い慣性抵抗領域

助成（AF-2014225）により行われたものであり，千葉大学

では，ガラス組成に変化はなく球の成分である Fe が微量

大学院工学研究科人工システム科学専攻准教授の比田井ながらガラスマトリックス中に溶け出して軌跡の中心部

洋史先生，学生の岩元健樹氏，ならびに東京工業大学物質に残存した．一方，SUS 球の移動速度が遅い粘性抵抗領域

理工学院・材料系教授の矢野哲司先生，学生の古閑哲人氏

では，母ガラスに含まれる成分の組成分布が変化した．こに多大なご協力をいただいた．ここに深く感謝の意を表しのような組成変動は CW レーザーによる局所的な加熱に起ます．また，EPMA 分析のための試料作製および測定にお因するものと考えられ，Soret 効果のように温度勾配のあいて，東京工業大学技術部分析支援センターの幸喜順氏とる場において熱拡散が生じて，低温側に Ca と Fe が移動し多田大氏に適切な助言をいただいたことに心より御礼申

高温側に Si が移動したものと考えられる．

し上げます．

CW-LBI 法における金属球の移動により局所的な組成コ
ントラストが形成されたという事実は，微細な組成変動を

参考文献

4)

1)吉岡将人・谷召輝・比田井洋史・戸倉和：精密精密

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3) M ． Moesgaard ・ Y ． Yue ：H. Takeda・M. Hagiwara・H. Noguchi・T. Hoshina・

T. Takahashi・N. Kodama・T. Tsurumi：Appl. Phys.
5) H. Hidai・ M. Matsushita・S. Matsusaka・A.
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