爆轟法ナノダイヤモンドの産業応用を目指した材料の開発

概要

Kobe University Repository : Kernel
PDF issue: 2023-03-02

爆轟法ナノダイヤモンドの産業応用を目指した材料
の開発

間彦, 智明
(Degree)
博士（科学技術イノベーション）

(Date of Degree)
2021-03-25

(Date of Publication)
2022-03-01

(Resource Type)
doctoral thesis

(Report Number)
甲第8098号

(URL)
https://hdl.handle.net/20.500.14094/D1008098
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博

士

論

文

爆轟法ナノダイヤモンドの産業応用を
目指した材料の開発

2020 年 1 月
神戸大学大学院科学技術イノベーション研究科
博士課程後期課程（先端 IT 分野）
間彦

智明

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目次
1章

序論 ....................................................................................................................... 4

1.1 研究の背景...................................................................................................................................... 4
1.2 ダイヤモンド .................................................................................................................................. 5
1.3 ダイヤモンドの合成法 .................................................................................................................. 5
1.4 ナノダイヤモンド .......................................................................................................................... 7
1.5 爆轟法ナノダイヤモンド開発の歴史 .......................................................................................... 7
1.6 爆轟法ナノダイヤモンド（DND）の製法 ................................................................................. 8
1.6.1

DND 製造プロセスの概要 .................................................................................................... 8

1.6.2 爆薬 ......................................................................................................................................... 10
1.6.3

DND 生成メカニズム .......................................................................................................... 11

1.6.4 株式会社ダイセルにおける DND 開発 ............................................................................... 15
1.7 ナノダイヤモンドの製法と特徴 ................................................................................................ 16
1.8 蛍光ナノダイヤモンド ................................................................................................................ 18
第 1 章 参考文献................................................................................................................................. 20

2 章 爆轟法ナノダイヤモンド（DND）の事業化検討 .......................................... 21
2.1 DND の課題 .................................................................................................................................. 21
2.2 ビジネスモデル構築に向けた検討 ............................................................................................ 21
2.3 事業戦略........................................................................................................................................ 24
2.3.1 外部環境分析「PEST 分析」 ............................................................................................... 24
2.3.2 外部環境分析「競合企業動向」 .......................................................................................... 24
2.3.3 外部環境分析「5 フォース分析」 ....................................................................................... 25
2.3.4 内部環境分析「バリューチェーン分析」 .......................................................................... 27
2.3.5 内部環境分析「VRIO 分析」 ............................................................................................... 27
2.4 技術戦略........................................................................................................................................ 27
2.4.1 SIV-DND の創出及び基本特性の把握 ................................................................................. 27
2.4.2 SIV-DND の用途探索と可能性検証 ..................................................................................... 28
2.4.3 ヘルスケア企業との連携による社会実装に向けた開発の推進 ...................................... 28
2.4.4 要素技術を用途探索に活用するプラットフォーム化 ...................................................... 28
2.5 知財戦略........................................................................................................................................ 30
2.6 財務戦略........................................................................................................................................ 31
第 2 章 参考文献および引用 ............................................................................................................. 32

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3章

半導体集積回路実装技術への DND の応用 .................................................. 33

3.1 動機と課題.................................................................................................................................... 33
3.1.1 3 次元 IC 集積実装技術......................................................................................................... 33
3.1.2 TSV プロセスと課題 ............................................................................................................. 34
3.1.3 研究の方針 ............................................................................................................................. 36
3.2 電気銅めっき膜の作製 ................................................................................................................ 36
3.3 評価結果........................................................................................................................................ 38
3.3.1 電気銅めっき膜内における DND の存在の確認 ............................................................... 38
3.3.2 電気銅めっき膜の結晶状態 .................................................................................................. 40
3.3.3 電気銅めっき膜の硬度.......................................................................................................... 43
3.3.4 電気銅めっき膜の電気伝導率 .............................................................................................. 44
3.4 考察................................................................................................................................................ 45
3.5 まとめ............................................................................................................................................ 46
第 3 章 参考文献................................................................................................................................. 47

4章

結言 ..................................................................................................................... 48

4.1 イノベーション・ストラテジー研究 ........................................................................................ 48
4.2 科学技術研究 ................................................................................................................................ 48
4.3 今後の展望.................................................................................................................................... 48

謝辞 ................................................................................................................................ 49
研究業績 ........................................................................................................................ 50

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1章

1.1

序論

研究の背景

ダイヤモンドは宝石の代表格としてよく知られる材料であるだけでなく、機能面におい
ても、地球上で最も硬く、どんな金属よりもよく熱を伝え、電気を通さず、高屈折率を持
つユニークな材料として知られている。その硬度を生かして工業用ダイヤモンドは研磨剤
や切削工具向けに幅広く使われてきた歴史がある。そして近年新たな研究対象としてナノ
サイズのダイヤモンドであるナノダイヤモンド（ND）に大きな注目が集まっている。ND
は単にそれらの特徴をもった小さなダイヤモンドというだけでなく、想像の範囲を超えた
特性、機能を発現するためである。ND の製法として最も効率的な製法が爆薬を原料に用い
る爆轟法である。また爆轟法は生体応用への期待の高い蛍光ナノダイヤモンドの生成も可
能とする。
株式会社ダイセル（以下、当社）ではこれまで約 10 年間爆轟法ナノダイヤモンド
（Detonation NanoDiamond：DND）の技術開発、用途開発を行ってきた。DND の性質に興
味を持ち、国内外において産業界、学術界からのサンプルの引き合いも多く、企業ならび
に大学との共同研究に進展する例も数多くある。本論文では、DND の事業化を加速させる
ことを目的に事業と技術の両面で研究を行いその結果をまとめた。

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1.2

ダイヤモンド

ダイヤモンドは一つの炭素原子を中心とした正四面体の各頂点に 4 個の炭素原子が位置
し、すべての炭素は隣接する 4 個の炭素と共有結合している。炭素原子中の 4 個の価電子
が 2s 軌道の電子 1 個と 2p 軌道の電子 3 個を用いて結合し、sp3 混成軌道を形成し、正
四面体構造となる。その結合角は 109.5°というゆがみのない理想的な形をしているために非
常に安定で壊れにくい。この結晶構造に起因してダイヤモンドは特有の性質を示す。ダイ
ヤモンドは地球上の物質の中で最も硬く、銅の約 5 倍の高い熱伝導率を示し、高い屈折率
を有する絶縁性の物質である 1)。
表1

ダイヤモンドの性質 1)

密度

3.515 g/cm3

熱伝導率

2000～2300 W/m・K

熱膨張率（25～200℃）

0.8～1.2×10-6 /K

バンドギャップ

5.45 eV

電気抵抗率

> 1014 Ωcm

ヤング率

1050 GPa

ビッカース硬さ

7600～11500

摩擦係数（空気中）

0.05～0.15

屈折率（波長 10μm）

2.376

1.3

ダイヤモンドの合成法

ダイヤモンドは炭素のみで構成されていることが発見されたのち、安価な炭素材料を用
いてダイヤモンドの人工合成が試みられてきた。1955 年に米 GE 社 F. P. Bundy らが合成ダ
イヤモンド作り上げ、世界初の成功例として Nature 誌において発表した 2)。この成果は、
1920 年代にはすでに知られていた炭素に高温と高圧をかけることによってダイヤモンドが
得られるという知見に沿ったものであり、高温高圧法（High Pressure High Temperature：HPHT）
と呼ばれる。今日では年間数十億カラットのダイヤモンドが主に産業用途向けに、高温高
圧法で製造されている 3)。この方法は原料となるグラファイト等をチャンバーにいれ、プレ
ス装置で非常に高い圧力と温度をかけることで、立方体および八面体の面の組み合わせを
持つ人工ダイヤモンドの結晶が生成される。

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図 1-1 高温高圧法によるダイヤモンド合成の概略図
もう一つの有力なダイヤモンドの製法が化学気相堆積法（Chemical Vapor Deposition：CVD）
である。この方法は天然ダイヤモンドの形成方法と全く異なる。 CVD 法では、非常に低い
圧力の真空チャンバー内で、炭化水素ガス（通常はメタン）と水素との加熱混合物が原料
として用いられる。 気相からダイヤモンドを成長させるには、基板上の原料ガスをイオン
化し非平衡状態にする必要がある。これらは、原料ガスをヒーター、マイクロ波、燃焼炎
等により活性化することにより行われる。CVD 法は、この活性化の方法によりホットフィ
ラメント（Hot-filament）CVD 法、プラズマ（Plasma）CVD 法、燃焼炎（Combustion）CVD
法 の 3 法に分類され、特にプラズマ CVD 法は反応炉の中で電極を用いない方法の一つ
であり電極からの不純物の混入が無く、再現性良く安定に長時間の合成が可能な利点を持
っている。CVD 法によるダイヤモンドの核発生と成長機構は様々なものが提案されている
が、そのメカニズムはまだ不明な点が多い。ただし合成中の様々な原料ガスからの組成分
析などの実験結果から、炭化水素系の気相中に H、H2、CH、C2、そして CH3、C2H2 等の
多くの活性種の存在が確認されており、特に気相中の CH3 ラジカルが成長に起因する反応
種と考えられており、この時水素原子が媒介してダイヤモンドが成長すると考えられてい
る。このため通常の CVD 法では、炭素を含有するガス を多量の水素で希釈した混合ガス
が使用され、実際この混合比により成長速度、結晶サイズ、品質が変化することがわかっ
ている 4)。

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1.4

ナノダイヤモンド

工業用ダイヤモンドはその硬度を生かして研磨剤や切削工具向けに幅広く使われてきた
歴史がある。そして近年新たな研究対象としてナノダイヤモンド（ND）に大きな注目が集
まっている。ND は単にダイヤモンドの特徴をもった小さなダイヤモンドというだけでなく、
想像の範囲を超えた特性、機能を発現するためである。一般的に ND の製法として、HPHT
法や CVD 法から合成されたバルクナノダイヤモンドを機械的に砕解する方法 5)および爆薬
を密閉容器内で爆発させることで得られる爆轟法があり、製法によってダイヤモンド構造
と性状が異なることが知られている。

1.5

爆轟法ナノダイヤモンド開発の歴史

爆轟法ナノダイヤモンドは 1960 年代の旧ソ連で発見された。金属の球状容器の中に炭素
源としてグラファイトを充填し、その周囲に爆薬を配置し起爆させ、グラファイトからダ
イヤモンドへの相転移に必要なエネルギーを爆薬によって供給するコンパクション法が
1962 年に開発された。これがナノダイヤモンドの合成に成功した最初の例とされる 6)。し
かし、当時すでに知られていた炭素源に機械的に圧力と温度を加えてダイヤモンドを得る
HPHT 法と比較して、圧力と温度の供給源が機械から爆薬に変わったのみであり生成メカニ
ズムそのものは新しくなかった。また世界最初のナノダイヤモンド製造の成功例とされる
が、合成方法が HPHT 法と似ていることから推測して「一桁ナノメートルサイズ」のナノ
ダイヤモンドが得られていたかどうか疑問が残る。続いて爆薬を用いたナノダイヤモンド
製法の研究がなされ、グラファイトを爆薬に直接添加した爆薬作製し起爆することで、ナ
ノダイヤモンドが得られることが確認された 6)。 ...

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