九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 2104069F

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL12

（様式第 5 号）

機械工学応用を志向したダイヤモンドライクカーボン薄膜の化学構造解析
Chemical structure analysis of diamond-like carbon films for mechanical application
鷹 林 将 1、 太 田 順 一 郎 1、 佐 藤 三 郎 1、 藤 井 勝 志 2
Susumu Takabayashi 1 , Jun-ichiro Ohta 1 , Saburo Sato 1 , Katsushi Fujii 2
有 明 工 業 高 等 専 門 学 校 1、 株 式 会 社 ア ヤ ボ セ ン タ ン 研 2
National Institute of Technology, Ariake College 1 , Ayabo Sentan Institute Inc. 2
※１
※２

※３※４

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は 、 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す （ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ）を 追 記
してください。
利用情報の公開が必要な課題は、本利用報告書とは別に利用年度終了後 2 年以内に研究成果
公 開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ ア
ル 利 用 を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概要（注：結論を含めて下さい）
ア モ ル フ ァ ス 炭 素 材 料 で あ る ダ イ ヤ モ ン ド ラ イ ク カ ー ボ ン (DLC)薄 膜 の 軟 X 線 光 電
子 分 光 を 行 っ た 。 C 1s ス ペ ク ト ル 形 状 の 超 高 真 空 ア ニ ー ル 温 処 理 依 存 性 を 調 べ る こ とに よ り 、そ の 化 学 構 造 解 析 を 試 み た 。水 素 含 有 有 無 の DLC 薄 膜 の 結 果 を 比 較 す る こ とに よ り 、熱 脱 離 水 素 が C 1s ス ペ ク ト ル 形 状 に 大 き な 影 響 を 及 ぼ し て い る こ と が 明 ら かとなった。
（ English ）Soft x-ray photoelectron spectroscopy of diamond-like carbon (DLC) films wereperformed. To clarify the chemical structure, we investigated the dependence of the C 1sspectrum line-shape on the ultra-high vacuum annealing. Comparing the C 1s spectra betweenhydrogen-contained DLC and hydrogen-free DLC films, it has been clarified that thermallydesorbed hydrogen affects their line-shapes significantly.

２．背景と目的
ダイヤモンドライクカーボン(DLC)は sp2 炭素、sp3 炭素、および水素からなるアモルファス性の炭素材料である。その化学的不活性、誘電性、平滑性、ならびに生体適合性により、機械材料、電気材料、ならびに医療材料と幅広く活用されている。しかしながら、その化学構造に関しては未だ不明確で、個々の応用に適した DLC を作り上げるには、経験に多くを依存している。
我々は本施設において、軟 X 線光電子分光法を用いて DLC の化学構造解析を行った。我々は既に、真空アニールすることにより DLC から水素が脱離するなどの挙動が観測され、化学構造が変化することを報告している。そのため特に DLC 化学構造の熱変化を比較検討することにより、DLC の化学構造を明らかにしていく。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
DLC薄膜試料は、グラファイトをターゲットとしたアーク法を用いて作製した。試料は水素含有の有無の違いによる2種類を用意した。光電子分光測定実験は、各試料を任意の温度で30分間真空アニールしたものを用いた。アニール終了後大気曝露せずに自然冷却し、超高真空状態を維持したまま光電子分光測定を行った。測定はBL12で行い、入射エネルギーは620 eVとした。C 1sの他にO 1sスペクトルも測定し、表面官能基や汚染の状況もモニターした。結合エネルギー軸は都度、Au板のAu 4f7/2スペクトル(84.0 eV)で較正した。

なお本実験は、2021年2月に行った実験「課題番号: 2012128F」の継続である。
４．実験結果と考察
図 1(a)に、水素なし DLC 薄膜の C 1s スペクトルの真空アニール温度依存性を示す。各スペクトルは、バックグラウンドを Shirley 法で除去した後に強度規格化した。図 1(b)には、水素含有 DLC 薄膜に関する同結果を示す。両図の比較から明らかなように、水素含有 DLC の方ではスペクトル位置が、アニール処理により明確にシフトしていることが分かる。

図 1.

DLC 薄膜の C 1s スペクトルの真空アニール処理温度依存性: (a) 水素なし DLC 薄膜、(b) 水素含有 DLC 薄膜。

図 2 に、両 DLC 薄膜のスペクトルピーク位置の真空アニール温度依存性を示す。水素含有 DLC のシフト量が大きいことが分かる。過去の我々の研究により、このシフトは DLC 表面からの水素熱脱離によることが分かっている。その温度帯は 450～600℃であり、実際今回の水素含有 DLC の結果では、600℃アニール後の試料は大きくシフトしていることが分かる。また 286～287 eV で見受けられる小さな膨らみは、水酸基(C-O)やカルボニル基(C=O)などの表面炭素‒酸素結合官能基に由来するものであるこの膨らみは 300℃アニール後には消失したことから、この温度でアニールすることで、クリーンな DLC 表面が得られていることが分かる。水素なし DLC 薄膜は、完全に水素を排除したもの
ではなく、若干量の水素を含有しているために、小さなスペクトルシフトが生じたものと考えられる。

図 2.

DLC 薄膜の C 1s スペクトルピーク位置の真空アニール温度依存性: ● 水素なし DLC、
■ 水素含有 DLC。

５．今後の課題
我々は Doniach–Šunjić 関数を用いた成分解析を独自に行ってきている。今回得られた結果に同解析手法を適用し、本 DLC 薄膜の化学構造解析と成薄膜法の特徴を明らかにしていく。これにより、応用用途に応じた tailor-made の DLC の成薄膜が期待される。
６．参考文献鷹林 将, 高萩 隆行, “X 線光電子分光法によるダイヤモンドライクカーボン薄薄膜の表面化学構造解析”, J. Surf. Anal., 20, 25–54 (2013).
他関連報告は、同参考文献内に列挙。

７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）
同上
８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
ダイヤモンドライクカーボン(DLC)、Doniach–Šunjić 関数
９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください（2018 年度実施課題は 2020 年度末が期限となります）。
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。

② 研究成果公報の原稿提出（提出時期：2022 年10 月）