S16014-S16022

ヘテロ原子をドープした原子層物質の XAFS による解析
XAFS study of heteroatom-doped two dimensional materials
圓谷 志郎 a, 滝沢 優 b, 境 誠司 a
Shiro Entania, Masaru Takizawab, Seiji Sakaia
量子科学技術研究開発機構, b 立命館大学
National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology, bRitsumeikan University
aae-mail: entani.shiro@qst.go.jp
原子層物質への欠陥導入やヘテロ原子ドーピングによって，電子状態や物理的性質の制御が可能になると有望視されている。私たちは原子層物質とヘテロ原子を含む薄膜とのヘテロ構造に高エネルギーイオンを照射する独自の方法による原子層物質へのヘテロ原子ドーピングを探索している。
本研究では，六方晶窒化ホウ素（h-BN）とフッ化リチウムのヘテロ構造に高エネルギーイオンを照射し h-BN にフッ素原子をドーピングした。XAFS 測定によって，B および N それぞれの電子状態が変調することを明らかにした。
Heteroatom doping into two dimensional materials is of interest. It is expected that the nano-structuralcontrol by the doping leads to tailoring of the electronic structure and the physical property of two
dimensional materials. We developed a new technique for heteroatom doping by high-energy ion irradiation
to the hetero-structure between the two-dimensional material and a thin film which consists of the target
heteroatom. In this study, XAFS measurements were conducted for fluorinated hexagonal boron nitride
which was synthesized by high-energy ion irradiation. We clarified the modification of the atomic andelectronic structure of h-BN by fluorination.
Keywords: hexagonal boron nitride, B and N K-XAFS, fluorination by high-energy ion irradiation
背景と研究目的
六方晶窒化ホウ素（h-BN）やグラフェンなどの原子層物質は，次世代のエレクトロニクス材料として注目されている。さらに欠陥導入やヘテロ原子ドーピングなどのナノ構造制御により，電子状態・物理的性質の制御が可能になると有望視されている。私たちは原子層物質とヘテロ原子層を含む薄膜のヘテロ界面に高エネルギーイオンを照射することによるヘテロ原子のドーピング法を探索している[1]。本研究では LiF と h-BN のヘテロ構造に高エネルギーイオン照射した際の h-BN の電子状態を XAFS 測定により解析した。
実験
Fig. 1に試料の概念図を示す。Cu箔上にアンモニアボランを原料ガスに用いてh-BNを化学気相蒸着法により成長した。さらに同表面上に100 nmのLiF薄膜を真空蒸着により作製した。真空中において同ヘテロ界面に高エネルギーイオン（2.4MeV 63Cu2+）を照射した（照射量：1013 – 1014ions/cm2）。照射後に未反応のLiF層を純水リンスにより除去した。イオン照射後のh-BNの電子状態解析は，立命館大学SRセンター
BL-8にて， h-BNの構成原子であるB, NのK吸収端XAFS測定により行った。測定モードは部分電子収量（PEY）にて行った。
Fig. 1. Schematic representation of ion irradiation setup.

結果および考察
Fig. 2 にイオン照射後（照射量：5 1013, 1014
ions/cm2）に未反応の LiF 層を除去した h-BNの B および N K-edge XAFS スペクトルを示す。
ピーク A および B, C はそれぞれ B 1s, N 1s
* および * に由来する。イオン照射によって，A, B, C のピーク強度が減少するとともに，新たなピーク（A', A''）が現れた。A' は窒素と基板との相互作用に起因[2]し，A'' は BNとヘテロ原子との結合形成に起因[3]する構造である。照射後に LiF 層を除去した試料において LiF とは異なる F 1s XPS スペクトルが観察された（Fig. 3）ことを合わせて考えると，同 A''ピークはドープされた F と h-BN 中の Bとの結合形成に由来することが示唆される。
Fig. 4 にフッ素をドープした h-BN の原子構造の概念図を示す。また，F 1s と Cu 2p の XPS
スペクトルのピーク強度比からフッ素のドープ量を見積もると，1014 ions/cm2 照射試料において 5-7 at% であることが分かった。
このようなヘテロ原子ドーピングは，電子励起相互作用が支配的なエネルギー領域（数MeV）のイオンビームを h-BN に照射することによって，電子励起後の緩和過程で，空間Fig. 2. Evolution of (a) B and (b) N K-edge XAFS
的に近接し同様に励起状態にあるヘテロ原子
spectra of h-BN (black), 5 1013 ions/cm2 irradiated（LiF 層中のフッ素原子）との間で結合の組
h-BN (red) and 1013 ions/cm2 irradiated h-BN (green).
換えが生じることに起因していると考えられる。

Fig. 4. Schematic representation of the atomicmodel of fluorinated h-BN.
Fig. 3. A core level F 1s spectrum of 1014
ions/cm2 irradiated h-BN (black dots). Blue andred lines are separated and fitted spectra.

参考文献[1] S. Entani, M. Mizuguchi, H. Watanabe, L. Yu. Antipina, P. B. Sorokin, P. V. Avramov, H. Naramoto, S.
Sakai, RSC adv. 6 (2016) 68525.
[2] M. Ohtomo, Y. Yamauchi, X. Sun, A. A. Kuzubov, N. S. Mikhaleva, P. V. Avramov, S. Entani, Y.
Matsumoto, H. Naramoto, S. Sakai, Nanoscale 9 (2017) 2369.
[3] K.A. Simonov, N.A. Vinogradov, M.L. Ng, A.S. Vinogradov, N. Mårtensson, A.B. Preobrajenski, Sur. Sci.
606 (2012) 564.

研究成果公開方法／産業への応用・展開について
・本研究成果は 2017 年第 64 回応用物理学会春季学術講演会にて成果公開した（15a-F203-5）。また、論文誌にて成果公開予定である。