レーザーによる硬質材料の合成方法と表面改質方法
【課題】任意形状を持つダイヤモンドおよび立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）の合成方法を提供する。
【解決手段】パルスレーザーを多方向からグラファイトおよび六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）に照射し、瞬間かつ局所的に高温高圧環境を作り出し、グラファイトおよびｈ−ＢＮ上の集光点の位置を移動させることにより、合成点５が移動し、ミリオーダーの任意形状ダイヤモンドおよびｃ−BＮが合成される。またレーザー照射によりダイヤモンドおよびｃ−ＢＮを合成し、ダイヤモンドおよびｃ−ＢＮのコーティングが可能となる。
【解決手段】パルスレーザーを多方向からグラファイトおよび六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）に照射し、瞬間かつ局所的に高温高圧環境を作り出し、グラファイトおよびｈ−ＢＮ上の集光点の位置を移動させることにより、合成点５が移動し、ミリオーダーの任意形状ダイヤモンドおよびｃ−BＮが合成される。またレーザー照射によりダイヤモンドおよびｃ−ＢＮを合成し、ダイヤモンドおよびｃ−ＢＮのコーティングが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラファイト又はｈ−ＢＮに多方向からレーザーを照射することにより、任意形状を持つダイヤモンド又はｃ−ＢＮからなる硬質材料の合成方法を提供する。本発明に関する硬質材料とはダイヤモンド或いは立方晶窒化ホウ素をさす。
【従来の技術】
【０００２】
従来、ダイヤモンド生成には高温高圧法および化学気相成長（ＣＶＤ）法があるが、それらの方法により細かい粒子状のダイヤモンドの合成は可能である。例えば低圧誘導結合プラズマを用いることによって、低圧プラズマＣＶＤ法によりサブミクロン単位の大きさのダイヤモンド微粒結晶を成長堆積させるダイヤモンドを合成する方法が開示されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平１５-０５５０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ダイヤモンドは加圧焼結法或いは等方加圧焼結法で圧力を直接加えながら合成するため、複雑な形状を持つセラミックスの合成は圧力を加えるのが難しく、困難である。また数ミリほどのダイヤモンドの結晶を合成するためには、長時間を要するため生産性が低い。さらにダイヤモンドは１０００〜２０００℃の高温度かつ２〜７ＧＰa程度の超高圧焼結法で合成するため合成段階において複雑な形状のものは圧力を均一にすることが難しいため合成ができない。またダイヤモンドは極めて硬いため、母材からの任意形状への加工は極めて困難である。
【０００４】
ＣＶＤ法を用いたダイヤモンド合成法も粒子径が数ミクロン単位の細かい粒子であり、数ミリの結晶を合成することができない。ｃ−ＢＮもダイヤモンドと同様に極めて硬いため、合成後の加工が困難である。またc−ＢＮの合成も高温高圧法およびＣＶＤ法で行われるが、ダイヤモンドの合成方法と同様な課題がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、ダイヤモンドおよびc−ＢＮを合成段階で、ミリオーダーの任意な形状に合成する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、請求項1および請求項２に係る任意形状のダイヤモンドの合成は、パルスレーザーを多方向からグラファイトに照射し、瞬間かつ局所的に高温高圧環境（数万℃、１０ＧＰa以上）を作り出し、グラファイトの照射位置を移動させることにより合成位置が移動する手法により可能となる。
【０００７】
グラファイトの他にもフラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ、ダイヤモンド微粒子が有効である。特にフラーレンまたはカーボンナノチューブはグラファイトが持つ安定な構造ではないため、瞬間的に高温高圧環境を与えることにより不安定な状態になり構造が壊れ易い。そのためこれらの材料はダイヤモンドの合成材料として特に有効である。
【０００８】
しかし、グラファイトにレーザーを多方向から照射しても、結晶と結晶の間の粒界がないため微粒のダイヤモンドしか合成できず、任意形状の大きなダイヤモンドを作ることが難しい。また合成された多結晶ダイヤモンドはひずみが大きく、もろい。
【０００９】
そこで、他のレーザーでは困難な波長スキャンが可能である自由電子レーザー（ＦＥＬ）を用い、レーザーの波長をメタン（ＣＨ４）のＣ−Ｈの伸縮振動（波長３．５μm）に合わせることでメタンの分子振動を極大にすることにより、ＣＨ４が活性化状態になり、Ｃ−Ｈ結合が解離する。ＦＥＬをダイヤモンドの成長面に照射することにより、上記ダイヤモンド成長面上に存在するＣ−Ｈ結合から水素が解離する。水素は水素分子となって上昇し、格子欠陥の原因となる水素が周囲のダイヤモンドの構造を破壊することなく除去される。したがって、ダイヤモンド結晶成長段階において格子欠陥の原因となる水素がダイヤモンド中に混入することを未然に防ぐことができる。
【００１０】
レーザーが集中する合成点に電子を照射することによりＣ−Ｈの結合が切断されやすくなり、ダイヤモンドの合成を促進する効果がある。（参照、J.A.Gonzalez, O.L.Figueroa, B.R.Weiner, G.Morell, Study of the effects of low-energy electron bombardment during the chemical vapor deposition of diamond. J. Mater. Res., v. 16, No.1, 2001, p.293） 合成点ではレーザーにより瞬間的にプラズマが発生し、ラジカルよりＣＨ４が解離する。また容量および誘導結合型プラズマ、グロープラズマ、アークプラズマなどで発生したラジカルよりＣＨ４が解離する。ＣＨ４分子を励起・解離することにより、ダイヤモンドの合成を促進することができる。
【００１１】
ダイヤモンド合成用レーザーとしてパルス幅が小さい短パルスレーザーが有効である。この理由としては合成されたダイヤモンドを合成用レーザーによって損耗することを防ぐためである。安定化用レーザーによってＣＨ４が解離し、合成レーザーによって合成されたダイヤモンドが粒界(のり)の役目を果たすため、歪みが少ない任意形状のダイヤモンドの合成が可能となる。粒界によりダイヤモンドの結晶内の歪みのエネルギーが緩和されるため、ダイヤモンドがもろくなくなるためである。
【００１２】
グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛、活性炭にＳｃ, Ｔｉ， Ｖ， Ｃｒ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｃｏ, Ｎｉ， Ｃｕ， Ｚｎ， Ｙ， Ｚｒ， Ｎb， Ｍｏ， Ｔｃ， Ｒｕ， Ｒｈ， Ｐｄ， Ａｇ， Ｃｄ, Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｐｍ， Ｓｍ， Ｅｕ， Ｇｄ， Ｔｂ， Ｄy, Ｈｏ， Ｅｒ， Ｔｍ， Ｙｂ， Ｌｕ， Ｈｆ， Ｔａ， Ｗ， Ｒｅ， Ｏｓ, Ｉｒ， Ｐｔ， Ａｕ， Ｈｇなどの遷移金属を微量ドープした複合体にレーザーを照射することにより、光のエネルギーが電子励起し、緩和する過程で、構造がｓｐ３に変化を促進し、遷移金属がない場合よりも加速的にダイヤモンドを合成する。また金属が触媒として機能し、ダイヤモンドの合成を用意にする効果がある。（参照、V.Lavrentiev, H.Abe, S.Yamamoto, H.Naramoto, K.Narumi, Mol. Cryst. Liq. Cryst. Sci. Technol., Sect. A, v. 386, 2002, p.139）
グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛、活性炭の粉体にＣＶＤ法によってダイヤモンド、ＤＬＣあるいはｃ−ＢＮをナノコーティングすることで、表面張力が発生する。このナノ複合体をバインダーと共に３００℃で焼結し、成型する。成型体にレーザーを照射することにより瞬間的にナノ複合体内部が高温高圧になり、炭素原子がより均一で対象性の良い構造を求めるため（拘束条件）、粒子間の凝集力が高まり、ダイヤモンドまたはＢ−Ｃ−Ｎ三元系化合物の合成を加速的に促進する。また金属が触媒として機能し、ダイヤモンドの合成を容易にする効果がある。
【００１３】
ｈ−ＢＮの粉体にＣＶＤ法によってダイヤモンド、ＤＬＣあるいはｃ−ＢＮをナノコーティングすることで、表面張力が発生する。このナノ複合体をバインダーと共に３００℃で焼結し、成型する。成型体にレーザーを照射することにより瞬間的にナノ複合体内部が高温高圧になり、窒素およびホウ素原子がより均一で対象性の良い構造を求めるため（拘束条件）、粒子間の凝集力が高まり、ｃ−ＢＮまたはＢ−Ｃ−Ｎ三元系化合物の合成を加速的に促進する。
【００１４】
即ち、本発明により、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、ＤＬＣ等にレーザーを三次元的に照射することにより、任意形状のダイヤモンドを合成することができる。具体的には、ダイヤモンドの合成時にメタンなどの有機ガスを高周波水素プラズマにより励起し、更にレーザーの波長を有機ガスのＣ−Ｈの結合を切断することが可能な波長（3.5μｍ）に合わせることにより、気相成長中に漂う有機ガスのＣ−Ｈの結合を選択的に切断してダイヤモンドの結晶化を高めることができる。又、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）に波長を制御したレーザーを照射することにより、立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）が合成できる。
【００１５】
更に、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、ＤＬＣ、ｈ−ＢＮなどに遷移金属を微量混入することにより、レーザーによって金属原子が電子励起され、合成緩和過程でダイヤモンド合成時の構造欠陥などを自己修復してダイヤモンドの結晶化を促進することができ、又電子の持つエネルギーを制御することにより、有機ガスのＣ−Ｈの結合を切断し、Ｈ不純物を除去する効果がある。
【発明の効果】
【００１６】
以上述べたことから明らかのように、本発明により任意形状を持つ大型のダイヤモンドの合成が可能となる。またダイヤモンドはディスプレイの発光素子として使われている冷陰極素子として有望な用途がある。そこで、針のようなダイヤモンドを合成することができれば、冷陰極素子として用いられる可能性がある。更にまた切削工具へのｃ−ＢＮの新しいコーティング方法として用いられる可能性がある。
【００１７】
本発明により、従来の鉄系構造材料がセラミックスに移行するきっかけとなる。セラミックスは軽く、硬く、耐腐食性を持つが、加工が難しいことが難点であった。本発明を応用することにより、複雑な形状を持つセラミックス構造材料ができる。一例をあげると、セラミックスエンジンが開発されれば、高温で燃焼することが可能なため、燃費の優れた低公害エンジンができる。また建築材料および航空材料も大部分がセラミックス特にダイヤモンドに代わることが予想される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の一例におけるダイヤモンド合成装置の概略図である。合成用レーザー発振ユニット１から発振したレーザー７はビームスプリッター３により二方向に分離し、ミラー４でレーザー７を反射し、ビームスプリッター３により二方向に分離する。二方向に分離したレーザー７は集光レンズ6により集光され、5方向からカーボンの一点に集中照射する。
【００１９】
即ち、合成用レーザー発振ユニット１から発振した合成用レーザー７は、ビームスプリッター３（１）により二方向に分離され、その一方のレーザー7（1）がミラー４（１）及び４（２）で反射され、ビームスプリッター３（２）及び集光レンズ６（１）を経て成型されたグラファイト１１の合成点５に照射される。ビームスプリッター３（１）により分離された他方のレーザー7（２）がミラー４（３）で反射され、ビームスプリッター３（３）で二方向に分離され、その一方が集光レンズ６（２）を経て成型されたグラファイト１１の合成点５に照射され、又ビームスプリッター３（３）で分離された他方のレーザー７（３）がミラー４（４）、ミラー４（５）及び集光レンズ６（３）を経て成型されたグラファイト１１の合成点５に照射される。このようにして、レーザーがグラファイトの合成点に四方向からに水平方向に照射される。更に、安定化用レーザー発振ユニット２から発振した安定化レーザー７aがグラファイト１１の合成点５に垂直方向から照射される。
【００２０】
レーザー７はパルス化されており、パルス間隔はマイクロ〜ナノ秒である。レーザー７としてフェムト秒レーザーも有効である。また照射直後に、照射対象となるカーボンをｘｙｚステージ８でわずかに移動させる。ｘｙｚステージ８はｘｙｚステージ制御コントロール用ＰＣ１０に接続されており、パソコンで照射対象となる成形されたグラファイト１１を移動させることができる。ステージの移動工程はあらかじめｘｙｚステージ制御コントロール用ＰＣ１０に登録されており、ｘｙｚステージ８はその工程にしたがって移動することにより、複雑な形状を持つダイヤモンドの合成が可能である。
【００２１】
ＦＥＬレーザーは広い波長領域（０．４〜５０μm）で発振し、Ｃ−Ｈ結合の伸縮振動と同じ振動数（８．６１×１０１３Hz）に発振波長を合わせる事が可能である（特開２０００−１４３３９２号公報、発振波長＝光速/振動数）。また赤外レーザーの発振波長はＣ−Ｈ結合の伸縮振動数（２．８７×１０１４Hz）と同じ振動数である。そのため、ＦＥＬおよび赤外レーザーはＣ−Ｈ結合を解離させることが可能である。これらのレーザーは安定化用レーザー７aとして用いられる。
【００２２】
合成用レーザー発振ユニット1から発振した合成用レーザー７はフェムト秒を始めとする超短パルスレーザーである。光の圧力と、合成点５で発生するプラズマによりダイヤモンドが瞬間的に合成される。
【００２３】
図２は針状のダイヤモンドを合成する概念図である。装置下部のグラファイトロッド１２aにダイヤモンド合成レーザーを照射する。装置上部にはＣＶＤ用高周波コイル１２が設置されており、ＣＨ４などの有機ガスをプラズマで励起または解離し、活性なラジカルにする。ラジカルおよび励起した有機ガス分子は安定化レーザー７ａにより容易に結合が切れる。グラファイトロッド１２ａを回転、移動させながら合成レーザー７および安定化レーザー７ａを照射することで、グラファイトロッド１２ａの一部が構造変化を起こし、ダイヤモンド構造に変化する。グラファイトロッド１２ａの直径は２−３ｍｍである。最終的にグラファイトロッド１２ａは針状のダイヤモンド結晶となる。
【００２４】
グラファイトロッド１２ａの他にフラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛、活性炭、ダイヤモンド微粒、ＤＬＣの焼結体が有効である。他にフラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛、活性炭にＤＬＣまたはダイヤモンドまたはｃ−ＢＮのナノコーティングを施し焼結した複合体、ｈ−ＢＮにＤＬＣまたはダイヤモンドまたはｃ−ＢＮのナノコーティングを施し焼結した複合体が有効である。またフラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛、活性炭、ダイヤモンド微粒、ＤＬＣにＳｃ, Ｔｉ， Ｖ， Ｃｒ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｃｏ, Ｎｉ， Ｃｕ， Ｚｎ， Ｙ， Ｚｒ， Ｎb， Ｍｏ， Ｔｃ， Ｒｕ， Ｒｈ， Ｐｄ， Ａｇ， Ｃｄ, Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｐｍ， Ｓｍ， Ｅｕ， Ｇｄ， Ｔｂ， Ｄy, Ｈｏ， Ｅｒ， Ｔｍ， Ｙｂ， Ｌｕ， Ｈｆ， Ｔａ， Ｗ， Ｒｅ， Ｏｓ, Ｉｒ， Ｐｔ， Ａｕ， Ｈｇなどの遷移金属を微量ドープした複合体も有効である。
【００２５】
図３はダイヤモンドあるいはｃ−ＢＮ薄膜をコーティングする方法である。合成用レーザー７をビームスプリッター３により２つに分け、合成用レーザー７をミラー４により反射した後、集光レンズ６を用いて、合成用レーザー７を集光し、照射対象に対して斜め方向から合成用レーザー７を一点に照射し、合成点５にてダイヤモンドあるいはｃ−ＢＮ薄膜を合成する。
【００２６】
パルス間隔を制御して、レーザー照射間にｘｙステージ１４に取り付けた照射対象であるグラファイトまたはｈ−ＢＮ１３を移動させることによって、合成点５を移動する。合成点５は瞬間的に高温高圧になるので、ダイヤモンドおよびｃ−ＢＮが合成され、ダイヤモンドおよびｃ−ＢＮのコーティングが可能となる。
【００２７】
また合成用レーザー７の強度の制御、照射面積の制御によって、ダイヤモンドおよびｃ−ＢＮ薄膜のコーティングの厚さと面積を制御することが可能である。
【実施例】
【００２８】
図４は、本発明の装置概観図の一例である。レーザーとしてエキシマレーザー１８を用い、照射エネルギーを６０ｍＪ／Ｐｕｌｓｅ、照射回数５００回、１秒間あたりの照射数を５０回で行った。除振台１７の上のグラファイト１６にエキシマレーザー１８を照射することにより、グラファイト１６の一部がダイヤモンドになった。
【００２９】
図５はエキシマレーザー１８をグラファイト１６に照射した後のサンプルのラマンスペクトルである。１３３３ｃｍ−１付近に鋭いピークが現れた。このピークはダイヤモンドのピークを示す。このことからレーザーをグラファイト１６に照射することによりグラファイトの構造が変化し、ダイヤモンド構造になったことがわかった。
【００３０】
図６はグラファイト１６にエキシマレーザー１８を照射したサンプルの走査型電子顕微鏡写真である。エキシマレーザー１８をグラファイト１６に照射する前は平坦であったが、エキシマレーザー１８を照射することにより、図６のようにサブミクロン程の粒子が合成された。またグラファイトは導電性なので、帯電しないがダイヤモンドは絶縁体であるため帯電する。図６の粒子は白いことから帯電しているので、微粒子がグラファイトではないことがわかる。図６の結果からこれらの粒子がダイヤモンド構造を持つことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の方法は、グラファイト又はｈ−ＢＮに多方向からレーザーを照射することにより、任意形状を持つダイヤモンド又はｃ−ＢＮからなる硬質材料を合成することができる。即ち、任意形状を持つ大型のダイヤモンドの合成が可能となり、またディスプレイの発光素子として使われている冷陰極素子としての針のようなダイヤモンドを合成することが可能である。
【００３２】
また、本発明の方法は、切削工具へのｃ−ＢＮの新しいコーティング方法として用いられる可能性がある。
【００３３】
更にまた、本発明の方法により、複雑な形状を持つセラミックス構造材料ができるので、セラミックスエンジンボディ本体の製造、建築用又は航空機用セラミックス材料等の製造が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の任意形状ダイヤモンドおよびｃ−ＢＮの合成方法における概念を示す図である。
【図２】本発明の大型ダイヤモンドおよびｃ−ＢＮの合成方法における概念を示す図である。
【図３】本発明のダイヤモンドおよびｃ−ＢＮ薄膜のコーティング方法における概念を示す図である。
【図４】本発明の装置の一例を示す概観図である。
【図５】グラファイトにエキシマレーザーを照射した試料のラマンスペクトルを示した図である。
【図６】グラファイトにエキシマレーザーを照射した試料のＳＥＭ像を示した図である。
【符号の説明】
【００３５】
1 合成用レーザー発振ユニット
2 安定化用レーザー発振ユニット
3(1) ビームスプリッター
3(2) ビームスプリッター
3(3) ビームスプリッター
4(1) ミラー
4(2) ミラー
4(3) ミラー
4(4) ミラー
4(5) ミラー
5 合成点
6 集光レンズ
6(1) 集光レンズ
6(2) 集光レンズ
6(3) 集光レンズ
7 合成レーザー
7(1) 合成レーザー
7(2) 合成レーザー
7ａ 安定化レーザー
8 ｘｙｚステージ
9 拡大図
10 xyzステージ制御コントロール用ＰＣ
11 成型されたグラファイト
12 ＣＶＤ用高周波コイル
12ａ グラファイトロッド
13 グラファイトまたはｈ−ＢＮ
14 ｘｙステージ
15 ｘｙステージ制御コントロール用ＰＣ
16 グラファイト
17 除振台
18 エキシマレーザー
19 エキシマレーザー発振装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラファイト又はｈ−ＢＮに多方向からレーザーを照射することにより、任意形状を持つダイヤモンド又はｃ−ＢＮからなる硬質材料の合成方法を提供する。本発明に関する硬質材料とはダイヤモンド或いは立方晶窒化ホウ素をさす。
【従来の技術】
【０００２】
従来、ダイヤモンド生成には高温高圧法および化学気相成長（ＣＶＤ）法があるが、それらの方法により細かい粒子状のダイヤモンドの合成は可能である。例えば低圧誘導結合プラズマを用いることによって、低圧プラズマＣＶＤ法によりサブミクロン単位の大きさのダイヤモンド微粒結晶を成長堆積させるダイヤモンドを合成する方法が開示されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平１５-０５５０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ダイヤモンドは加圧焼結法或いは等方加圧焼結法で圧力を直接加えながら合成するため、複雑な形状を持つセラミックスの合成は圧力を加えるのが難しく、困難である。また数ミリほどのダイヤモンドの結晶を合成するためには、長時間を要するため生産性が低い。さらにダイヤモンドは１０００〜２０００℃の高温度かつ２〜７ＧＰa程度の超高圧焼結法で合成するため合成段階において複雑な形状のものは圧力を均一にすることが難しいため合成ができない。またダイヤモンドは極めて硬いため、母材からの任意形状への加工は極めて困難である。
【０００４】
ＣＶＤ法を用いたダイヤモンド合成法も粒子径が数ミクロン単位の細かい粒子であり、数ミリの結晶を合成することができない。ｃ−ＢＮもダイヤモンドと同様に極めて硬いため、合成後の加工が困難である。またc−ＢＮの合成も高温高圧法およびＣＶＤ法で行われるが、ダイヤモンドの合成方法と同様な課題がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、ダイヤモンドおよびc−ＢＮを合成段階で、ミリオーダーの任意な形状に合成する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、請求項1および請求項２に係る任意形状のダイヤモンドの合成は、パルスレーザーを多方向からグラファイトに照射し、瞬間かつ局所的に高温高圧環境（数万℃、１０ＧＰa以上）を作り出し、グラファイトの照射位置を移動させることにより合成位置が移動する手法により可能となる。
【０００７】
グラファイトの他にもフラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ、ダイヤモンド微粒子が有効である。特にフラーレンまたはカーボンナノチューブはグラファイトが持つ安定な構造ではないため、瞬間的に高温高圧環境を与えることにより不安定な状態になり構造が壊れ易い。そのためこれらの材料はダイヤモンドの合成材料として特に有効である。
【０００８】
しかし、グラファイトにレーザーを多方向から照射しても、結晶と結晶の間の粒界がないため微粒のダイヤモンドしか合成できず、任意形状の大きなダイヤモンドを作ることが難しい。また合成された多結晶ダイヤモンドはひずみが大きく、もろい。
【０００９】
そこで、他のレーザーでは困難な波長スキャンが可能である自由電子レーザー（ＦＥＬ）を用い、レーザーの波長をメタン（ＣＨ４）のＣ−Ｈの伸縮振動（波長３．５μm）に合わせることでメタンの分子振動を極大にすることにより、ＣＨ４が活性化状態になり、Ｃ−Ｈ結合が解離する。ＦＥＬをダイヤモンドの成長面に照射することにより、上記ダイヤモンド成長面上に存在するＣ−Ｈ結合から水素が解離する。水素は水素分子となって上昇し、格子欠陥の原因となる水素が周囲のダイヤモンドの構造を破壊することなく除去される。したがって、ダイヤモンド結晶成長段階において格子欠陥の原因となる水素がダイヤモンド中に混入することを未然に防ぐことができる。
【００１０】
レーザーが集中する合成点に電子を照射することによりＣ−Ｈの結合が切断されやすくなり、ダイヤモンドの合成を促進する効果がある。（参照、J.A.Gonzalez, O.L.Figueroa, B.R.Weiner, G.Morell, Study of the effects of low-energy electron bombardment during the chemical vapor deposition of diamond. J. Mater. Res., v. 16, No.1, 2001, p.293） 合成点ではレーザーにより瞬間的にプラズマが発生し、ラジカルよりＣＨ４が解離する。また容量および誘導結合型プラズマ、グロープラズマ、アークプラズマなどで発生したラジカルよりＣＨ４が解離する。ＣＨ４分子を励起・解離することにより、ダイヤモンドの合成を促進することができる。
【００１１】
ダイヤモンド合成用レーザーとしてパルス幅が小さい短パルスレーザーが有効である。この理由としては合成されたダイヤモンドを合成用レーザーによって損耗することを防ぐためである。安定化用レーザーによってＣＨ４が解離し、合成レーザーによって合成されたダイヤモンドが粒界(のり)の役目を果たすため、歪みが少ない任意形状のダイヤモンドの合成が可能となる。粒界によりダイヤモンドの結晶内の歪みのエネルギーが緩和されるため、ダイヤモンドがもろくなくなるためである。
【００１２】
グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛、活性炭にＳｃ, Ｔｉ， Ｖ， Ｃｒ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｃｏ, Ｎｉ， Ｃｕ， Ｚｎ， Ｙ， Ｚｒ， Ｎb， Ｍｏ， Ｔｃ， Ｒｕ， Ｒｈ， Ｐｄ， Ａｇ， Ｃｄ, Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｐｍ， Ｓｍ， Ｅｕ， Ｇｄ， Ｔｂ， Ｄy, Ｈｏ， Ｅｒ， Ｔｍ， Ｙｂ， Ｌｕ， Ｈｆ， Ｔａ， Ｗ， Ｒｅ， Ｏｓ, Ｉｒ， Ｐｔ， Ａｕ， Ｈｇなどの遷移金属を微量ドープした複合体にレーザーを照射することにより、光のエネルギーが電子励起し、緩和する過程で、構造がｓｐ３に変化を促進し、遷移金属がない場合よりも加速的にダイヤモンドを合成する。また金属が触媒として機能し、ダイヤモンドの合成を用意にする効果がある。（参照、V.Lavrentiev, H.Abe, S.Yamamoto, H.Naramoto, K.Narumi, Mol. Cryst. Liq. Cryst. Sci. Technol., Sect. A, v. 386, 2002, p.139）
グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛、活性炭の粉体にＣＶＤ法によってダイヤモンド、ＤＬＣあるいはｃ−ＢＮをナノコーティングすることで、表面張力が発生する。このナノ複合体をバインダーと共に３００℃で焼結し、成型する。成型体にレーザーを照射することにより瞬間的にナノ複合体内部が高温高圧になり、炭素原子がより均一で対象性の良い構造を求めるため（拘束条件）、粒子間の凝集力が高まり、ダイヤモンドまたはＢ−Ｃ−Ｎ三元系化合物の合成を加速的に促進する。また金属が触媒として機能し、ダイヤモンドの合成を容易にする効果がある。
【００１３】
ｈ−ＢＮの粉体にＣＶＤ法によってダイヤモンド、ＤＬＣあるいはｃ−ＢＮをナノコーティングすることで、表面張力が発生する。このナノ複合体をバインダーと共に３００℃で焼結し、成型する。成型体にレーザーを照射することにより瞬間的にナノ複合体内部が高温高圧になり、窒素およびホウ素原子がより均一で対象性の良い構造を求めるため（拘束条件）、粒子間の凝集力が高まり、ｃ−ＢＮまたはＢ−Ｃ−Ｎ三元系化合物の合成を加速的に促進する。
【００１４】
即ち、本発明により、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、ＤＬＣ等にレーザーを三次元的に照射することにより、任意形状のダイヤモンドを合成することができる。具体的には、ダイヤモンドの合成時にメタンなどの有機ガスを高周波水素プラズマにより励起し、更にレーザーの波長を有機ガスのＣ−Ｈの結合を切断することが可能な波長（3.5μｍ）に合わせることにより、気相成長中に漂う有機ガスのＣ−Ｈの結合を選択的に切断してダイヤモンドの結晶化を高めることができる。又、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）に波長を制御したレーザーを照射することにより、立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）が合成できる。
【００１５】
更に、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、ＤＬＣ、ｈ−ＢＮなどに遷移金属を微量混入することにより、レーザーによって金属原子が電子励起され、合成緩和過程でダイヤモンド合成時の構造欠陥などを自己修復してダイヤモンドの結晶化を促進することができ、又電子の持つエネルギーを制御することにより、有機ガスのＣ−Ｈの結合を切断し、Ｈ不純物を除去する効果がある。
【発明の効果】
【００１６】
以上述べたことから明らかのように、本発明により任意形状を持つ大型のダイヤモンドの合成が可能となる。またダイヤモンドはディスプレイの発光素子として使われている冷陰極素子として有望な用途がある。そこで、針のようなダイヤモンドを合成することができれば、冷陰極素子として用いられる可能性がある。更にまた切削工具へのｃ−ＢＮの新しいコーティング方法として用いられる可能性がある。
【００１７】
本発明により、従来の鉄系構造材料がセラミックスに移行するきっかけとなる。セラミックスは軽く、硬く、耐腐食性を持つが、加工が難しいことが難点であった。本発明を応用することにより、複雑な形状を持つセラミックス構造材料ができる。一例をあげると、セラミックスエンジンが開発されれば、高温で燃焼することが可能なため、燃費の優れた低公害エンジンができる。また建築材料および航空材料も大部分がセラミックス特にダイヤモンドに代わることが予想される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の一例におけるダイヤモンド合成装置の概略図である。合成用レーザー発振ユニット１から発振したレーザー７はビームスプリッター３により二方向に分離し、ミラー４でレーザー７を反射し、ビームスプリッター３により二方向に分離する。二方向に分離したレーザー７は集光レンズ6により集光され、5方向からカーボンの一点に集中照射する。
【００１９】
即ち、合成用レーザー発振ユニット１から発振した合成用レーザー７は、ビームスプリッター３（１）により二方向に分離され、その一方のレーザー7（1）がミラー４（１）及び４（２）で反射され、ビームスプリッター３（２）及び集光レンズ６（１）を経て成型されたグラファイト１１の合成点５に照射される。ビームスプリッター３（１）により分離された他方のレーザー7（２）がミラー４（３）で反射され、ビームスプリッター３（３）で二方向に分離され、その一方が集光レンズ６（２）を経て成型されたグラファイト１１の合成点５に照射され、又ビームスプリッター３（３）で分離された他方のレーザー７（３）がミラー４（４）、ミラー４（５）及び集光レンズ６（３）を経て成型されたグラファイト１１の合成点５に照射される。このようにして、レーザーがグラファイトの合成点に四方向からに水平方向に照射される。更に、安定化用レーザー発振ユニット２から発振した安定化レーザー７aがグラファイト１１の合成点５に垂直方向から照射される。
【００２０】
レーザー７はパルス化されており、パルス間隔はマイクロ〜ナノ秒である。レーザー７としてフェムト秒レーザーも有効である。また照射直後に、照射対象となるカーボンをｘｙｚステージ８でわずかに移動させる。ｘｙｚステージ８はｘｙｚステージ制御コントロール用ＰＣ１０に接続されており、パソコンで照射対象となる成形されたグラファイト１１を移動させることができる。ステージの移動工程はあらかじめｘｙｚステージ制御コントロール用ＰＣ１０に登録されており、ｘｙｚステージ８はその工程にしたがって移動することにより、複雑な形状を持つダイヤモンドの合成が可能である。
【００２１】
ＦＥＬレーザーは広い波長領域（０．４〜５０μm）で発振し、Ｃ−Ｈ結合の伸縮振動と同じ振動数（８．６１×１０１３Hz）に発振波長を合わせる事が可能である（特開２０００−１４３３９２号公報、発振波長＝光速/振動数）。また赤外レーザーの発振波長はＣ−Ｈ結合の伸縮振動数（２．８７×１０１４Hz）と同じ振動数である。そのため、ＦＥＬおよび赤外レーザーはＣ−Ｈ結合を解離させることが可能である。これらのレーザーは安定化用レーザー７aとして用いられる。
【００２２】
合成用レーザー発振ユニット1から発振した合成用レーザー７はフェムト秒を始めとする超短パルスレーザーである。光の圧力と、合成点５で発生するプラズマによりダイヤモンドが瞬間的に合成される。
【００２３】
図２は針状のダイヤモンドを合成する概念図である。装置下部のグラファイトロッド１２aにダイヤモンド合成レーザーを照射する。装置上部にはＣＶＤ用高周波コイル１２が設置されており、ＣＨ４などの有機ガスをプラズマで励起または解離し、活性なラジカルにする。ラジカルおよび励起した有機ガス分子は安定化レーザー７ａにより容易に結合が切れる。グラファイトロッド１２ａを回転、移動させながら合成レーザー７および安定化レーザー７ａを照射することで、グラファイトロッド１２ａの一部が構造変化を起こし、ダイヤモンド構造に変化する。グラファイトロッド１２ａの直径は２−３ｍｍである。最終的にグラファイトロッド１２ａは針状のダイヤモンド結晶となる。
【００２４】
グラファイトロッド１２ａの他にフラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛、活性炭、ダイヤモンド微粒、ＤＬＣの焼結体が有効である。他にフラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛、活性炭にＤＬＣまたはダイヤモンドまたはｃ−ＢＮのナノコーティングを施し焼結した複合体、ｈ−ＢＮにＤＬＣまたはダイヤモンドまたはｃ−ＢＮのナノコーティングを施し焼結した複合体が有効である。またフラーレン、カーボンナノチューブ、黒鉛、活性炭、ダイヤモンド微粒、ＤＬＣにＳｃ, Ｔｉ， Ｖ， Ｃｒ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｃｏ, Ｎｉ， Ｃｕ， Ｚｎ， Ｙ， Ｚｒ， Ｎb， Ｍｏ， Ｔｃ， Ｒｕ， Ｒｈ， Ｐｄ， Ａｇ， Ｃｄ, Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｐｍ， Ｓｍ， Ｅｕ， Ｇｄ， Ｔｂ， Ｄy, Ｈｏ， Ｅｒ， Ｔｍ， Ｙｂ， Ｌｕ， Ｈｆ， Ｔａ， Ｗ， Ｒｅ， Ｏｓ, Ｉｒ， Ｐｔ， Ａｕ， Ｈｇなどの遷移金属を微量ドープした複合体も有効である。
【００２５】
図３はダイヤモンドあるいはｃ−ＢＮ薄膜をコーティングする方法である。合成用レーザー７をビームスプリッター３により２つに分け、合成用レーザー７をミラー４により反射した後、集光レンズ６を用いて、合成用レーザー７を集光し、照射対象に対して斜め方向から合成用レーザー７を一点に照射し、合成点５にてダイヤモンドあるいはｃ−ＢＮ薄膜を合成する。
【００２６】
パルス間隔を制御して、レーザー照射間にｘｙステージ１４に取り付けた照射対象であるグラファイトまたはｈ−ＢＮ１３を移動させることによって、合成点５を移動する。合成点５は瞬間的に高温高圧になるので、ダイヤモンドおよびｃ−ＢＮが合成され、ダイヤモンドおよびｃ−ＢＮのコーティングが可能となる。
【００２７】
また合成用レーザー７の強度の制御、照射面積の制御によって、ダイヤモンドおよびｃ−ＢＮ薄膜のコーティングの厚さと面積を制御することが可能である。
【実施例】
【００２８】
図４は、本発明の装置概観図の一例である。レーザーとしてエキシマレーザー１８を用い、照射エネルギーを６０ｍＪ／Ｐｕｌｓｅ、照射回数５００回、１秒間あたりの照射数を５０回で行った。除振台１７の上のグラファイト１６にエキシマレーザー１８を照射することにより、グラファイト１６の一部がダイヤモンドになった。
【００２９】
図５はエキシマレーザー１８をグラファイト１６に照射した後のサンプルのラマンスペクトルである。１３３３ｃｍ−１付近に鋭いピークが現れた。このピークはダイヤモンドのピークを示す。このことからレーザーをグラファイト１６に照射することによりグラファイトの構造が変化し、ダイヤモンド構造になったことがわかった。
【００３０】
図６はグラファイト１６にエキシマレーザー１８を照射したサンプルの走査型電子顕微鏡写真である。エキシマレーザー１８をグラファイト１６に照射する前は平坦であったが、エキシマレーザー１８を照射することにより、図６のようにサブミクロン程の粒子が合成された。またグラファイトは導電性なので、帯電しないがダイヤモンドは絶縁体であるため帯電する。図６の粒子は白いことから帯電しているので、微粒子がグラファイトではないことがわかる。図６の結果からこれらの粒子がダイヤモンド構造を持つことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の方法は、グラファイト又はｈ−ＢＮに多方向からレーザーを照射することにより、任意形状を持つダイヤモンド又はｃ−ＢＮからなる硬質材料を合成することができる。即ち、任意形状を持つ大型のダイヤモンドの合成が可能となり、またディスプレイの発光素子として使われている冷陰極素子としての針のようなダイヤモンドを合成することが可能である。
【００３２】
また、本発明の方法は、切削工具へのｃ−ＢＮの新しいコーティング方法として用いられる可能性がある。
【００３３】
更にまた、本発明の方法により、複雑な形状を持つセラミックス構造材料ができるので、セラミックスエンジンボディ本体の製造、建築用又は航空機用セラミックス材料等の製造が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の任意形状ダイヤモンドおよびｃ−ＢＮの合成方法における概念を示す図である。
【図２】本発明の大型ダイヤモンドおよびｃ−ＢＮの合成方法における概念を示す図である。
【図３】本発明のダイヤモンドおよびｃ−ＢＮ薄膜のコーティング方法における概念を示す図である。
【図４】本発明の装置の一例を示す概観図である。
【図５】グラファイトにエキシマレーザーを照射した試料のラマンスペクトルを示した図である。
【図６】グラファイトにエキシマレーザーを照射した試料のＳＥＭ像を示した図である。
【符号の説明】
【００３５】
1 合成用レーザー発振ユニット
2 安定化用レーザー発振ユニット
3(1) ビームスプリッター
3(2) ビームスプリッター
3(3) ビームスプリッター
4(1) ミラー
4(2) ミラー
4(3) ミラー
4(4) ミラー
4(5) ミラー
5 合成点
6 集光レンズ
6(1) 集光レンズ
6(2) 集光レンズ
6(3) 集光レンズ
7 合成レーザー
7(1) 合成レーザー
7(2) 合成レーザー
7ａ 安定化レーザー
8 ｘｙｚステージ
9 拡大図
10 xyzステージ制御コントロール用ＰＣ
11 成型されたグラファイト
12 ＣＶＤ用高周波コイル
12ａ グラファイトロッド
13 グラファイトまたはｈ−ＢＮ
14 ｘｙステージ
15 ｘｙステージ制御コントロール用ＰＣ
16 グラファイト
17 除振台
18 エキシマレーザー
19 エキシマレーザー発振装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）若しくはダイヤモンド微粒子；フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛若しくは活性炭に立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）、ＤＬＣ若しくはダイヤモンドのナノコーティングを施して焼結した複合体；又はダイヤモンド微粒子を含有するフラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ若しくはこれらの複合体に、多方向からレーザーを照射することによって、任意形状のダイヤモンドを迅速に合成することを特徴とするレーザーによる硬質材料の合成方法。
【請求項２】
フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ若しくはダイヤモンド微粒子；フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛若しくは活性炭にｃ−ＢＮ、ＤＬＣ若しくはダイヤモンドのナノコーティングを施して焼結した複合体；又はダイヤモンド微粒子を含有するフラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ若しくはこれらの複合体をコーティングした材料に、レーザーを照射することにより、材料表面をダイヤモンドに構造変化させることで表面改質をすることを特徴とするレーザーによる硬質材料の合成方法。
【請求項３】
フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ若しくはダイヤモンド微粒子；フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛若しくは活性炭にｃ−ＢＮ、ＤＬＣ若しくはダイヤモンドのナノコーティングを施して焼結した複合体；又はダイヤモンド微粒子を含有するフラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ若しくはこれらの複合体に、収束された電子ビームを照射しながら、レーザーを照射しダイヤモンドを合成することを特徴とするレーザーによる硬質材料の合成方法。
【請求項４】
六方晶窒化ホウ素(ｈ−ＢＮ)若しくはｈ−ＢＮ粉体にｃ−ＢＮ、ダイヤモンド若しくはＤＬＣのナノコーティングを施して焼結した複合体、ｃ−ＢＮ微粒子を含有するｈ−ＢＮ、又はこれらの混合体に、多方向からレーザーを照射することによって、任意形状のｃ−ＢＮを迅速に合成することを特徴とするレーザーによる硬質材料の合成方法。
【請求項５】
ｈ−ＢＮ若しくはｈ−ＢＮ粉体にｃ−ＢＮ、ダイヤモンド若しくはＤＬＣのナノコーティングを施して焼結した複合体、ｃ−ＢＮ微粒子を含有するｈ−ＢＮをナノコーティングを施して焼結した複合体、又はこれらを混合した材料に、レーザーを照射することにより、表面をｃ−ＢＮに構造変化させることで表面改質をすることを特徴とするレーザーによる硬質材料の合成方法。
【請求項６】
ｈ−ＢＮ若しくはｈ−ＢＮ粉体にｃ−ＢＮ、ダイヤモンド若しくはＤＬＣのナノコーティングを施して焼結した複合体、ｃ−ＢＮ微粒子を含有するｈ−ＢＮ、又はこれらの複合体に、収束された電子ビームを照射しながら、レーザーを照射してｃ−ＢＮを合成することを特徴とするレーザーによる硬質材料の合成方法。
【請求項７】
請求項1乃至請求項６のいずれかにおけるダイヤモンド、c−ＢＮ又はそれらの複合体を合成する際に、プラズマによって励起した有機ガス、ホウ素系窒化ガス若しくはアンモニア、又は高密度の有機ガス、ホウ素系窒化ガス若しくはアンモニア雰囲気下で、レーザー照射によりダイヤモンドおよびc−ＢＮの合成することを特徴とする方法。
【請求項８】
フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ若しくはダイヤモンド微粒子；フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛若しくは活性炭にｃ−ＢＮ、ＤＬＣ若しくはダイヤモンドのナノコーティングを施して焼結した複合体；ダイヤモンド微粒子を含有するフラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ、ｈ−ＢＮ若しくはｈ−ＢＮ粉体にｃ−ＢＮ、ダイヤモンド若しくはＤＬＣのナノコーティングを施して焼結した複合体；ｃ−ＢＮ微粒子を含有するｈ−ＢＮ；又はこれらの複合体に、Ｓｃ, Ｔｉ， Ｖ， Ｃｒ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｃｏ, Ｎｉ， Ｃｕ， Ｚｎ， Ｙ， Ｚｒ， Ｎb， Ｍｏ， Ｔｃ， Ｒｕ， Ｒｈ， Ｐｄ， Ａｇ， Ｃｄ, Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｐｍ， Ｓｍ， Ｅｕ， Ｇｄ， Ｔｂ， Ｄy, Ｈｏ， Ｅｒ， Ｔｍ， Ｙｂ， Ｌｕ， Ｈｆ， Ｔａ， Ｗ， Ｒｅ， Ｏｓ, Ｉｒ， Ｐｔ， Ａｕ若しくはＨｇの少なくとも1つの遷移元素を少量含有させた複合体に、レーザーを照射し、ダイヤモンド、ｃ−ＢＮ又はそれらの複合体を合成することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
レーザーは、自由電子（ＦＥＬ）レーザー、Ｘ線レーザー、ＹＡＧレーザー、エキシマレーザー、ＡｒＦレーザー、ＫｒＦレーザー、窒素レーザー、炭酸ガスレーザー、半導体レーザー、ヘリウム・ネオンレーザー、ルビーレーザー、ヘリウム・ネオンレーザー、色素レーザー又はフェムト秒レーザーであり、非線形光学結晶により波長変換したものを含む請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の方法。
【請求項１】
フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）若しくはダイヤモンド微粒子；フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛若しくは活性炭に立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）、ＤＬＣ若しくはダイヤモンドのナノコーティングを施して焼結した複合体；又はダイヤモンド微粒子を含有するフラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ若しくはこれらの複合体に、多方向からレーザーを照射することによって、任意形状のダイヤモンドを迅速に合成することを特徴とするレーザーによる硬質材料の合成方法。
【請求項２】
フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ若しくはダイヤモンド微粒子；フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛若しくは活性炭にｃ−ＢＮ、ＤＬＣ若しくはダイヤモンドのナノコーティングを施して焼結した複合体；又はダイヤモンド微粒子を含有するフラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ若しくはこれらの複合体をコーティングした材料に、レーザーを照射することにより、材料表面をダイヤモンドに構造変化させることで表面改質をすることを特徴とするレーザーによる硬質材料の合成方法。
【請求項３】
フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ若しくはダイヤモンド微粒子；フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛若しくは活性炭にｃ−ＢＮ、ＤＬＣ若しくはダイヤモンドのナノコーティングを施して焼結した複合体；又はダイヤモンド微粒子を含有するフラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ若しくはこれらの複合体に、収束された電子ビームを照射しながら、レーザーを照射しダイヤモンドを合成することを特徴とするレーザーによる硬質材料の合成方法。
【請求項４】
六方晶窒化ホウ素(ｈ−ＢＮ)若しくはｈ−ＢＮ粉体にｃ−ＢＮ、ダイヤモンド若しくはＤＬＣのナノコーティングを施して焼結した複合体、ｃ−ＢＮ微粒子を含有するｈ−ＢＮ、又はこれらの混合体に、多方向からレーザーを照射することによって、任意形状のｃ−ＢＮを迅速に合成することを特徴とするレーザーによる硬質材料の合成方法。
【請求項５】
ｈ−ＢＮ若しくはｈ−ＢＮ粉体にｃ−ＢＮ、ダイヤモンド若しくはＤＬＣのナノコーティングを施して焼結した複合体、ｃ−ＢＮ微粒子を含有するｈ−ＢＮをナノコーティングを施して焼結した複合体、又はこれらを混合した材料に、レーザーを照射することにより、表面をｃ−ＢＮに構造変化させることで表面改質をすることを特徴とするレーザーによる硬質材料の合成方法。
【請求項６】
ｈ−ＢＮ若しくはｈ−ＢＮ粉体にｃ−ＢＮ、ダイヤモンド若しくはＤＬＣのナノコーティングを施して焼結した複合体、ｃ−ＢＮ微粒子を含有するｈ−ＢＮ、又はこれらの複合体に、収束された電子ビームを照射しながら、レーザーを照射してｃ−ＢＮを合成することを特徴とするレーザーによる硬質材料の合成方法。
【請求項７】
請求項1乃至請求項６のいずれかにおけるダイヤモンド、c−ＢＮ又はそれらの複合体を合成する際に、プラズマによって励起した有機ガス、ホウ素系窒化ガス若しくはアンモニア、又は高密度の有機ガス、ホウ素系窒化ガス若しくはアンモニア雰囲気下で、レーザー照射によりダイヤモンドおよびc−ＢＮの合成することを特徴とする方法。
【請求項８】
フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ若しくはダイヤモンド微粒子；フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛若しくは活性炭にｃ−ＢＮ、ＤＬＣ若しくはダイヤモンドのナノコーティングを施して焼結した複合体；ダイヤモンド微粒子を含有するフラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、黒鉛、活性炭、ＤＬＣ、ｈ−ＢＮ若しくはｈ−ＢＮ粉体にｃ−ＢＮ、ダイヤモンド若しくはＤＬＣのナノコーティングを施して焼結した複合体；ｃ−ＢＮ微粒子を含有するｈ−ＢＮ；又はこれらの複合体に、Ｓｃ, Ｔｉ， Ｖ， Ｃｒ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｃｏ, Ｎｉ， Ｃｕ， Ｚｎ， Ｙ， Ｚｒ， Ｎb， Ｍｏ， Ｔｃ， Ｒｕ， Ｒｈ， Ｐｄ， Ａｇ， Ｃｄ, Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｐｍ， Ｓｍ， Ｅｕ， Ｇｄ， Ｔｂ， Ｄy, Ｈｏ， Ｅｒ， Ｔｍ， Ｙｂ， Ｌｕ， Ｈｆ， Ｔａ， Ｗ， Ｒｅ， Ｏｓ, Ｉｒ， Ｐｔ， Ａｕ若しくはＨｇの少なくとも1つの遷移元素を少量含有させた複合体に、レーザーを照射し、ダイヤモンド、ｃ−ＢＮ又はそれらの複合体を合成することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
レーザーは、自由電子（ＦＥＬ）レーザー、Ｘ線レーザー、ＹＡＧレーザー、エキシマレーザー、ＡｒＦレーザー、ＫｒＦレーザー、窒素レーザー、炭酸ガスレーザー、半導体レーザー、ヘリウム・ネオンレーザー、ルビーレーザー、ヘリウム・ネオンレーザー、色素レーザー又はフェムト秒レーザーであり、非線形光学結晶により波長変換したものを含む請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２１０８２１（Ｐ２００７−２１０８２１Ａ）
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１０４９（Ｐ２００６−３１０４９）
【出願日】平成１８年２月８日（２００６．２．８）
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【出願人】（３０４０２３９９４）国立大学法人山梨大学 (223)
【出願人】（５０６０４４９６０）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月８日（２００６．２．８）
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【出願人】（３０４０２３９９４）国立大学法人山梨大学 (223)
【出願人】（５０６０４４９６０）
【Ｆターム（参考）】
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