ナノインデンテーション法による薄膜・材料表面の機械物性測定技術とその活用法

薄膜・材料表面の機械物性を全般的に評価できる手法として、様々な最先端のナノインデンテーション技術とその活用法を紹介する。 　一般的に広く応用されている薄膜硬さ・弾性率計測手法に対する理解を深めながら、材料表面・局部における、降伏強度、粘弾性特性、材料強度 (S-S曲線) 、摩擦特性、密着性の計測について、基礎から最先端の定量計測技術までしっかり解説し、最新実用薄膜材料の応用例を紹介する。

1. ナノインデンテーションの気持ちとユーザー姿勢
   1. ナノ物性計測とものづくりへの期待
   2. ナノインデンテーション法と荷重-変位曲線
   3. 計測技術に対するユーザー姿勢
2. 基本接触 (Meyer’s Law, Hertzian Solution, Sneddon’s Solution)
   1. 基本接触:荷重-変位曲線図
      1. Meyer’s Law:材料定数と圧子径の関係
      2. 球状圧子の弾性接触解:Hertz solution
      3. 弾性接触解: Sneddon’s solution
3. 圧子の剛性・形状 (Tip rigidity and Geometry)
   1. 圧子の剛性と複合弾性率
   2. 圧子幾何学的形状:One Pointed とSmooth axisymmetric
      1. Berkovich 圧子 (One pointed フォーム)
      2. Cube-corner 圧子 (One pointed フォーム)
      3. Conical 圧子 (One pointed フォーム)
      4. Spherical 圧子 (Smooth axisymmetric フォーム)
4. 硬さ・弾性率計測 (1) (原理編:Oliver-Pharr手法と影響因子)
   1. インデンテーション硬さの定義
   2. OliverとPharrの硬さと弾性率
      1. OliverとPharrの提案:接触面積と接触深さ
      2. コンプライアンスと圧子先端形状の影響
      3. 重要な関係:システムのコンプライアンスと接触面積
      4. 圧子先端丸みの評価:エリア・ファンクション
   3. 実際応用時の予備知識と経験
      1. ナノメートルスケールのサイズ効果
      2. 材料微細構造と計測スケール効果
      3. 試料サイズと計測スケール効果
      4. 基板影響:膜厚と計測スケール効果
      5. 計測誤差レベルと基板影響
      6. 圧子径と試料表面の影響
      7. Pile-upとsink-inの影響
      8. ビッカース硬さとの相関
      9. 手法の限界と可能性
5. 硬さ・弾性率計測 (2) (応用編:高温計測事例、CSM計測事例)
   1. 高低温ナノインデンテーション法
      1. 計測法の信頼性の検証
      2. ソフト薄膜材料への適用
      3. 熱的安定な分子構造を持つ薄膜の測定事例
      4. 熱的不安定な分子構造を持つ薄膜の測定事例
   2. CSM (continuous stiffness measurement) 法
      1. SCMの計測原理と応用事例
      2. 異なる荷重方式と基板影響
6. 降伏応力・弾性率計測 (球状圧子法と応用事例)
   1. 球形インデンテーション法
      1. 弾性・塑性的接触
      2. ミーゼス (von Mises) とトレスカ (tresca) の臨界条件
      3. インデンテーション時の降伏臨界条件
      4. 溶融シリカの降伏応力の測定
   2. 測定事例
      1. Cu薄膜の降伏応力・弾性率の結晶異方性
      2. 熱的不安定な分子構造を持つ薄膜の測定事例
7. 粘弾性計測 (原理、手法と応用事例)
   1. 時間依存インデンテーション法原理・基本手法
      1. 押し込みの時間依存:粘弾性材料
      2. 履歴積分演算子と荷重の時間関数
      3. せん断複素コンプライアンス
      4. 単軸複素コンプライアンス&単軸複素弾性率
      5. クリープコンプライアンス
   2. 時間依存インデンテーション法の温度分散計測、応用事例
      1. 環境制御と温度分散計測の実現
      2. ナノ粘弾性計測法の信頼性の検証
      3. 樹脂の微小劣化部の粘弾性測定事例
8. S-S曲線 (加工硬化指数) 計測 (dual indentation法と応用事例)
   1. Dual indentation 法の原理・基本手法
      1. 応力とひずみ曲線: 加工硬化率・指数
      2. 等価応力、等価ひずみと代表ひずみ
      3. ひずみ8.の圧子角度依存性
   2. 測定事例:引張試験結果との比較
9. Nanoscratch法 (摩擦、摩耗、密着性の評価)
   1. ナノスクラッチ法の特徴
   2. 垂直力一定モードと垂直力変化モード
   3. ナノ摩擦係数評価事例
   4. 薄膜密着性評価事例
   5. 計測時の注意点
• 質疑応答