多価イオン
多価イオン照射痕
イオン照射痕の照射痕の顕微鏡観測
量子・物質工学科

大谷研究室

大木野生

1. 背景
我 々 の 研 究 室 で は 、 Tokyo-EBIT[nm]（Electron Beam Ion Trap）を用いて多価イオンと固体表面との反応を研究している。多価イオンは中性原子から束縛されている電子を 2 個以上剥ぎ取ったイオンであり、生成時に要したエネルギーを内部に保有する。このポテンシャルエネルギーは価数と共に増大し、我々が興味の対象としている数 10 価の多価イオンでは、100keV 以上にもなる。固体[nm]表面との相互作用においてはその莫大なエネルギーを微小領域（<10nm）に微

図 2:I50+ on TiO2(111) STM 像小時間（<10fs）で与える為、表面上に3 次元イメージ図[3]大きな影響が現れる。例えば、多価イオンが物質に近づくと、固体表面上の電子2. 目的が吸引され、多数の陽イオンが生成され多価イオンによる照射痕形成は多くのる[1]。その結果、原子配置が局所的に実験によって少しずつ明らかになってい変化することで照射痕ができ、その大きる。しかし、50 価以上の高価数多価イオさが価数と共に大きくなることが知らンでの実験はほとんどない。そこで、本れている[2]。このような多価イオンの実験では HOPG(高配向性熱分解グラファ

性質を利用して、ナノスケールの表面加イト）に Bi（Z＝83）73 価イオンを照射工を施す新たなデバイス製作などへのし、照射痕を STM（Scanning Tunneling

応用が考えられている。

Microscope：走査型トンネル顕微鏡）によって観測した。比較の為 44 価イオンの103照射痕も観測し、ナノ構造の変化を調べBi102た。

1013. 実験

0.10.01

実験装置の概略図を図 2 に示す。EBIT0.001
020

4060

Incident ion charge

80100q

図 1：価数とポテンシャルエネルギーの関係を用いて Bi の多価イオンを生成し、それを加速電圧 3kV で引き出し、分析磁石

により価数選別をした。選別した Bi73+

4. 結果の多価イオンビームを照射室へ運搬し、4.1

Bi73+の照射痕

φ1mm の細孔を通した後に MCP（MicroChannel Plate）で測定しながら、多価イオンの個数が最大になるように静電レンズなどを調整した。その後、HOPGを細孔と MCP の間に入れ、ビームを照射した（図 2）。照射後の HOPG を SPM（Scanning Probe Microscope ）観測室まで真空内移動させ、STM で照射痕を観測した。これを Bi44+でも同様に行った。
そして、入射イオンの照射密度（表 1）と STM 観察による照射痕形成密度との100nm比較を行った。

図 4:Bi73+ on HOPG STM 像（100nm×100nm）

SPM観測室MCP

価数分析磁石

第二照射室へ

第一照射室

試料ホルダー

EBITからの多価イオンビーム
図 2:実験装置概略図

照射イオン数100nm×100nm（φ1mm）

当たりの照射数

Bi73+

5.9×108 個

5.6 個

Bi44+

3.5×108 個

3.3 個

価数

表 1:照射イオン数15nm
図 5:Bi73+ on HOPG STM 像(15nm×15nm）観測の一例を図 4 に示す。この例からも分かるように、観測された照射痕密度はイオン照射密度とほぼ等しかった。次に 1 つの照射痕を拡大した例を図 5 に示す。図のような噴火口状照射痕が多く観測された。その直径は 6～8nm であった。

4.2 Bi44+の照射痕

次に 1 つの照射痕を拡大した例を図 7 に示す。図のような隆起状照射痕が多く観測された。その直径は 6～9nm であった。
5. まとめBi44+では、直径 6～8nm の隆起状構造の照射痕が観測できた。これは我々の研究室で以前観測された Xe46+ と同様の結果[4]であった。しかし、Bi73+では 6～9nmの噴火口状照射痕が観測された。これは我々の研究室及び他の研究グループで行われた HOPG への照射実験[4]では観測さ100nm
図 6:Bi44+ on HOPG STM 像（100nm×100nm）

れたことのない形状であった。Bi73+ではより多くの電子を吸引し、その後の爆発も激しいため噴火口状になったと考えられる。
今後の課題として、Bi73+と Bi44+の照射痕の照射痕の直径がほぼ等しくなったことなどから、Bi の価数を変化させ、照射痕を系統的に観測していく必要があると考えている。また、照射痕形成メカニズムを明らかにしていく為にも、照射標的試料を、多価イオンの影響を受けにくい金属、半導体、他の層状結晶、Si 等の異なる結晶試料にも照射し、観測していく必要があると考えている。

15nm
図 7:Bi44+ on HOPG STM 像(15nm×15nm）観測の一例を図 6 に示す。この例にもあるように、観測された照射痕密度がイオン照射密度よりも多いことが分かった。これは観測例が少なく、照射密度の多い箇所を観測してた可能性や、入射イオン数の測定方法になんらかの問題があった可能性が考えられる。

付録 [5,6,7]
a.STM
a.STM 原理

mm 引き上げるように図 9 のようにする。

STM は導電性探針と固体表面との間に環状陰極の中心に、タングステン線（φ流れるトンネル電流を利用し、原子レベ0.3mm）を 3mm 程度液面に入れ、環状陰極ルで物体を観察できる顕微鏡である（図との間に 20ｍA 程度の電流を流すことで8）。探針を固体表面上に近づけ、相互間電解研磨した。タングステンの先が環状に数百 mV の電圧をかける。相互間距離の中心からずれてしまうと、斜めになっ(S)が 1nm 以下になるとトンネル電流(I)てしまう。また電流を多く流しても、先が流れる。このトンネル電流は距離が小を長めに液面に入れてしまっても、十分さくなるほど大きくなる（式（1））ので、な先鋭度が得られない。実際に原子像がこれを検出信号として探針を走査するこ得られる探針を作るまで多くの経験を要とで画像を得る。

した。

eV  2m  L(1)I ≅ exp − 2S 2  < φ > −2  h 
STM像
像
出力

エネルギーE

トンネル電流トンネル電流

サーボ回路
サーボ回路

フェルミ準位トンネル電圧トンネル電圧増幅回路

仕事関数

図 9：環状陰極と液面

Φ針の位置

ＳＳステップ

固体表面e|V|

図 8：STM 概略図

参考文献[1]H.Ryufuku,et al,Phys.Rev.A21745(1980)

b.STM
b.STM 探針作成
[2]N.Nakamura,etal.:NIMB.B23 2261-265(2005)

STM は原子レベルでの観察ができる為、[3]藤田祐崇

平成 19 年度 修士論文

電気通信大学

探針の先鋭度が高解像度の STM 像を得る
[4]M.Terada et al.:NIMB 235 452 (2005) 他

為に重要になる。本実験では電解研磨法[5]日本表面科学会編を用いた。白金ワイヤーで円形をつくりナノテクノロジーのための走査プローブ顕微鏡（2003）

環状陰極にし、表面張力によって NaOH
（濃[6]満田康晴

平成 19 年度 修士論文

電気通信大学度２N：１ℓ中に２ｇ）溶液の表面を約１[7]御子柴宣夫

走査型トンネル顕微鏡 電子通信情報学会(1991)