【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.17】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24NM5073

利用課題名 / Title

イオンビーム照射効果の研究

利用した実施機関 / Support Institute

物質・材料研究機構 / NIMS

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

透過型電子顕微鏡

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

雨倉 宏

所属名 / Affiliation

物質・材料研究機構

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NM-510：FIB加工装置（JIB-4000）
NM-505：200kV透過電子顕微鏡
NM-513：ピックアップシステム
NM-503：200kV電界放出形透過電子顕微鏡（JEM-2100F1）

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

近年のイオンビーム発生技術の発展により、エキゾチックなイオンビームである高速重イオンビームやクラスターイオンビームを一様かつ安定に制御性良く発生させることが可能になってきた。本研究は上記のイオンビームと物質の相互作用を解明し、エキゾチックなビームによる材料改質や材料評価等への応用のための基礎過程を明らかにするものである。ここ数年、我々は上記のイオン１個が固体との衝突で形成する円筒形のナノスコピック～メゾスコピックサイズの損傷領域である“イオントラック”の形成に注目して研究を行ってきた。シリコンは単原子高速重イオン照射に対して耐性があり、1 GeVのUイオンを照射してもイオントラックを形成しない。一方、C₆₀イオン照射に対しては容易にトラックを形成する。我々はこれまでに 1 MeVのC₆₀イオンに対してイオントラックを形成することを確認した。当該年度はさらに低エネルギーでの照射を行い、トラックが形成する最低のエネルギーを探索する。

実験 / Experimental

市販のSiウェハー（伝導型ｐ型、抵抗率～1 ohm cm）から切断したサイズ 3 mm x 4 mm x 0.4 mmの試料に対して、C₆₀イオン照射を行った。試料面は(111)で、イオンは試料面垂直から7°傾けて照射した。Si試料は照射前にフッ酸に浸し、表面酸化物層を取り除いてある。C₆₀イオン照射はQST高崎の加速器群をARIMとは別の制度で借用し実施した。C₆₀イオンの1 MeVから9 MeVの範囲に関しては端子電圧3 MVのタンデム加速器、30 keVから750 keVの範囲に関しては最大電圧400 kVのシングルエンド型のイオン注入機を用いて実施した。希望の加速エネルギーを得るために、価数 +1 から +3 のC₆₀イオンが用いられた。試料の評価は、ARIMの制度の下、NIMSの透過電子顕微鏡(TEM)群と附属装置を用いて実施した。Si試料はC₆₀照射前または照射後に収束イオンビーム加工装置(FIB)により薄片化しTEM観察が可能な厚さに加工した。今回の主目的である1 MeV未満で照射した試料の観察は主に透過電子顕微鏡JEM-2100を用いて実施した。

結果と考察 / Results and Discussion

成果としては、1) 各エネルギーでのトラック長とトラック径の平均値をイオンエネルギーEに対してプロットすると、それぞれ E のベキ0.397、ベキ0.209に従うことが分かった。このことからイオンエネルギーの増加とともにトラック長、トラック径ともに増加するが、トラック長の増加の方が顕著で、トラックのアスペクト比がエネルギーとともに増加することが分かる。２）60 keV照射までトラックは観測されたが、30 keV照射では全体的に広がった損傷らしきものは観測されたが、トラックのように局在した損傷構造は観測されなかった。３）トラックの長さと同速度の単原子イオンの飛程を比べると、高エネルギーでは単原子イオンの飛程が長いが、200 keV以下ではトラック長の方が長くなる。つまりC₆₀を構成するC原子が、協力してC原子の一部をより深くへ打ち込むこと（加速効果）が起こっているようである。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1（左）750 keVと120 keVのC₆₀イオンで照射したSiに形成されるイオントラックの深さ方向の断面TEM像。中央の黒い層は表面マーカーでそこから垂直に伸びるのがトラック。(中央）C₆₀イオンがSi中に作るトラックの平均長さと平均直径をエネルギーに対してプロットした図。（右）トラックの平均長さとC60イオンと同速度の単原子イオンの飛程のエネルギー依存性。詳しくは本文を参照のこと。

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

DOI(論文・プロシーディング）：
1. 10.1038/s41467-024-45934-4
2. 10.1088/1402-4896/acbbf5

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Hiroshi Amekura, Metallic Ca Aggregates Formed Along Ion Tracks and Optical Anisotropy in CaF2 Crystals Irradiated with Swift Heavy Ions, Quantum Beam Science, 8, 29(2024).
   DOI: 10.3390/qubs8040029
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 【招待講演】H. Amekura, et al., "Ion tracks in diamond", 30th International Conference on Atomic Collisions in Solids & 12th International Symposium on Swift Heavy Ions in Matter (ICACS & SHIM 2024), (Canberra, Australia), 2024/11/24-29.
2. 雨倉 宏 他、"C60イオン照射によりダイヤモンドに初めて形成されたイオントラック”、日本物理学会2024年年次大会（北海道大学、札幌市）2024/9/16-19.
3. 雨倉 宏 他、”Ion tracks in diamond"、第25回「イオンビームによる表面・界面の解析と改質」特別研究会、（東海村、茨城県）2024/10/16-17.
4. 【招待講演】雨倉 宏、”C60イオン照射によるダイヤモンドへのイオントラックの形成”、QST高崎サイエンスフェスタ2024（高崎市）2024/12/10-11.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件