量子分子動力学法による窒化炭素膜のトライボケミカル反応シミュレーション

摘要

微小サイズの超精密機器(MEMS)において、流体潤滑剤を用いると、液体の表面張力による凝着力が発生し、機器の動作を阻害する。このためMEMS には固体潤滑剤の使用が期待されており、現在、高硬度かつ低摩擦を示すダイヤモンドライクカーボン(DLC)を用いた固体潤滑の研究が多くされている。DLC は長時間の使用で安定性が悪いということが示されている。また、DLC 中に10～15%の割合で窒素を含有した炭化系硬薄膜(CN_x)膜はDLC と同じく低摩擦の固体潤滑剤として期待されており、DLC よりも高硬度である。特に窒素ガスを吹き付けるだけで超低摩擦(摩擦係数<0.02)、低摩耗(10-8 mm~3/Nm)といった興味深い摩擦特性を示すことも知られている [1]。これまで、実験によりCN_x の摩擦中にCNx に含まれる窒素原子が、H_2O やO_2といった分子と化学反応をして摩擦係数に影響を及ぼすことが明らかになっている。さらに、窒素原子が表面を終端することで低摩擦が発現するという、膜最表面の状態に起因する低摩擦メカニズムが検討されている[2]。しかし、実験では原子レベルでの情報を直接得ることが難しいことから、詳細な摩擦低減メカニズムは明らかになっていない。そのため、原子·分子レベルのシミュレーション手法が重要な役割を果たす。ここでCNx の摩擦特性を詳しく調べるためには、摩擦と化学反応が複雑に絡み合ったトライボケミカル反応を考慮する必要がある。そこで、本研究では量子分子動力学法を用いてCN_x の低摩擦機構をシミュレーションにより検討を行った。本研究ではCN_x の摩擦低減メカニズムの解析をするために、CN_x とDLC の摩擦シミュレーションを行い、摩擦メカニズムの検討を行った。