アルゴンイオン照射によるグラファイト表面からの発光観測中村信行研究室

1.3

1 序論
1.1

加藤桃子

背景と目的

多価イオンー固体表面の相互作用の研究は、まだ多価イオン-固体表面の相互作用解明されていないことも多く、また多価イオンそ「1 価イオン」とは、1 価の正と負のイオンを指す。のものの特性を知るうえで重要である。その研究「多価イオン」とは、一般的に 2 価以上の正と負イを行うために、2005 年に神戸大学で電子ビーム型オンを指すが、原子物理学の分野では中性原子からイオン源 (Electron Beam Ion Source : EBIS) の電子を 2 つ以上取り去った「正の原子イオン」に限

Kobe-EBIS を用いた多価イオン照射装置が開発さ定されることが多い。多価イオンの特徴は大きなポれ、2020 年まで神戸大学で使用されていた。そのテンシャルエネルギーを持つということである。多後、2021 年 1 月に電気通信大学に移設された。こ価イオンは温度の高いプラズマに多く存在し、例えの装置を使用した先行研究で、固体表面の発光観測

ば太陽コロナの数百万度という高温では 16 価程度を行ったところ、試料表面に付着した水分子や水素までの鉄多価イオンが存在する [1]。

分子に起因すると考えられるバルマー線 (Hα ) が観多価イオンは大きいポテンシャルエネルギーを持測された [2]。しかしその発光機構の詳細が分かっ

つという特徴があるため、固体表面に入射したときていないため、固体標的に多価イオンを照射する研

1 価イオンや中性原子と異なる振る舞いを示す。1

究を行った。標的は高配向性熱分解グラファイト

価イオンが固体に入射すると、運動エネルギーによ(HOPG) を使用した。HOPG は多層構造であるたるスパッタリングが支配的に起きる。多価イオンがめ、表面の層を取り除くと不純物の無い、清浄表面固体表面に入射すると、ポテンシャルエネルギーにが比較的容易に得られるためである。また多価イオよるクーロン爆発というポテンシャルスパッタリン

ンと 1 価イオンの振る舞いの違いを調べるために、グが起こることが知られている。

同じ標的に 1 価イオンを照射する研究を行った。

1.2イオンの生成

2 実験

1 価イオンの生成は、最外殻電子を一つ電離させてできる。例えば気体に高電圧をかけて、気体原子2.1実験装置に電子を当てることで 1 価のイオンを得られる。多実験で使用したイオン照射装置の構成を図 1 に価イオンを生成するには大きなイオン化エネルギー示す。大きく分けて、多価イオンを生成する Kobe-を原子にあたえなくてはならず、電子の衝突エネル

EBIS、Kobe-EBIS で生成された多価イオンをビーギーを利用する方法が多い。電子の剥ぎ取り方の一ムとして引き出し照射室まで輸送するビームライつに逐次電離という方法があり、原子から電子を一ン、1 価イオンのビームを生成するイオン銃、イオつ一つ電離させていく。高価数になるほど逐次電離ンを固体へ照射して観測を行う照射室から構成されで電離させる方法が良いとされる。ている。

12.2
2.2.1

実験方法
固体試料

本 実 験 で 使 用 し た HOPG 試 料 を 図 3 に 示す 。大 き さ は 長 辺 が 10mm、短 辺 が 5mm で厚 さ 1mm で 、SPI Supplies 製 で あ る 。伝 導率 は 層 平 行 が (2.1±0.1)×106 S/m で 、垂 直 面 が図1(5.0±0.1)×102 S/m である [4]。それぞれの層は導イオン照射装置体と言えるが、層と層の間は半導体の領域の導電率と言える。HOPG は多層構造で、表層を取り除く

本研究では Kobe-EBIS を使って多価イオンを生ことで不純物が付着していない固体表面を比較的成した。トラップされたイオンに電子ビームを照射容易に得ることができる。HOPG の表層をはがし、することで逐次電離が起き、多価イオンが生成さ空気中の水分子の吸着の少ない試料にイオンを照射れる。

することで、バルマー光の起源がどこから発生してビームラインは、イオンビームの収束と価数選別いるのかわかると考えた。

を行って、照射室まで輸送する役割を持っている。
多価イオンビームの中には EBIS に導入した気体試料のイオンのみならず、他の不純物イオンなども存在するため、価数選別によって望ましい多価イオンビームを選び取る。

1 価イオンを照射するためイオン銃を使用した。
図 3 HOPG 試料

初めにアルゴンなどの気体でイオン銃内部を充填し、電子が気体原子と衝突することで、1 価のイオ2.2.2ンが生成される。陰極でイオンをビームとして引き多価イオン照射による発光測定

バルマー線 (Hα ) のみを通すフィルターをレンズ出し、フォーカスで収束させて照射する。
価数選別を経た多価イオンビームは照射室で固体と CCD の間に取り付け、Ar10+ イオン照射によ試料に照射される。図 2 に照射室の構成を示す。照るグラファイト表面からの発光を CCD カメラで射室チャンバーの中央に固体試料を置き、多価イオ観測した。このフィルターによって水分子や水素ンビームの反対側には、ビーム強度を計測するファ分子を起因とするバルマー線 (Hα ) のみの発光デーラデーカップとビーム形状を観測するマイクロチャタを得ることが出来る。Ar10+ イオンの電流値はネルプレートが設置されている。

30pA で、CCD カメラの露光時間は 30 分で実験を行った。

2.2.3

1 価イオン照射による発光測定

1 価イオン照射でも、バルマー線 (Hα ) のみを通すフィルターをレンズと CCD の間に取り付けて、CCD カメラでグラファイト表面からの発光を観測した。照射するイオンは Ar+ のみなので、照射するイオン電流値を変えて実験を行った。電流値は 15〜1000nA である。イオン電流値は多価イオンより強いので、CCD カメラの露光時間は 1 分で行った。
図2

照射室の構成2

る。HOPG の層間の導電率が低いため別の層から3 結果及び考察
3.1
Arの電子供給が間に合わず、クーロン爆発が起こるの多価イオン照射による発光測定
10+ではないかと考えられる。

イオンを HOPG 試料に 30 分間照射し、次にイオン一つ当たり発光強度を計算した。上記の図 5 の範囲の強度を足し合わせ、イオンビーム電CCD カメラで得られた画像を図 4 に示す。

流値で割り 1 分当たりとしてから、その値を 10 倍している。電流が等しい場合、10 価イオンの個数1は 1 価イオンに対して 10となるからである。結果は 143388 であった。

3.2

1 価イオン照射による発光測定+Ar イオンを 15nA〜1000nA の範囲で変えて、HOPG 試料に 1 分ずつ照射した。Ar+ イオンが100nA のときの CCD カメラで得られた画像を図 6に、発光強度の等高線グラフを図 7 に示す。グラフ

図 4 Ar10+ イオン照射時の CCD 画像にした範囲は Ar10+ と同様の範囲で、左からイオンが入射し、右端中央部に固体試料がイオンビームバルマー線 (Hα ) のみを通すフィルターを使用しに対して垂直に設置されている。

たところ、発光の様子が得られた。チャンバー内の超高真空 (10−6 Pa ) 状態でも水素分子は存在するた
め、チャンバー内で HOPG が水素分子を吸着し、イオンビームでスパッタリングされバルマー線 (Hα )を発光したと考えられる。図 4 の白枠の範囲で示す範囲の等高線のグラフを図 5 に示す。左からイオンが入射し、右端中央部に固体試料がイオンビームに対して垂直に設置されている。

図 6 100nA の Ar+ イオンビーム照射時の CCD 画像

図 5 Ar10+ イオン照射時の発光強度

発光のピークが固体表面ではなく、表面から少し離れたところにあるが、これは真空中にスパッタリ
図 7 100nA の Ar+ イオンビーム照射時の発光強度ングされた水素が発光源であることを示唆してい3

図 5 と異なるのは、バルマー線 (Hα ) の発光が図定の数値となることが予想されたが、およそ 3 倍

7 では固体表面で見られたことである。固体表面のもの数値の差が見られた。理由として、0〜1000nA水素と Ar+イオンが弾性衝突し、スパッタリングまで順に計測したため、実験によって HOPG の表されたと考えられる。次に上記の等高線のグラフの面に付着していた水分子や水素分子がスパッタリ発光強度を全て合計し、イオン電流値の関数としてングされ、表面の付着数が徐々に減少したのでは無示したグラフを図 8 に示す。最小二乗法で近似直線いかと考えられる。またイオン一つ当たりの発光強を引いた。

度について、Ar10+ イオン＝ 143388 で、Ar+ イオン＝ 1000 程度であり、2 桁以上もの差が見られた。

Ar+ イオンのポテンシャルエネルギーが 15eV で、
Ar10+ イオンのポテンシャルエネルギーが 479eVである。Ar10+ イオンの方が約 30 倍ポテンシャルエネルギーが大きいため、Ar10+ イオンの方が一つ当たり水素原子を励起させる数が多く、バルマー線(Hα ) の発光強度が大きくなったと考えられる。

4 結論
Ar10+ 、Ar+ イオンビームを HOPG に照射し、
図8

どちらもバルマー線 (Hα ) の発光が確認されたた

発光強度合計め、照射室内にもバルマー線 (Hα ) の起源が存在することがわかった。Ar10+ イオンの照射でクーロングラフより、Ar+ イオンの電流値増加に伴って爆発が起きているではないかと推測される。発光は発光強度が上昇していることから、発光はイオンのAr+ イオンの数に依存していた。またイオン一つ数に依存しているといえる。データ点が近似直線か当たりの発光強度について、Ar10+ イオンは Ar+ら離れている理由として、測定時にイオンビームのイオンより 2 桁以上強かった。今後はバルマー線の電流値が一定にならないことが挙げられる。続いて起源解明とともに、ほかの価数の Ar 多価イオンとAr+ イオン一つ当たりの発光強度を求めたグラフ

Ar+ イオンのふるまいの違いの解明の比較実験がを図 9 に示す。

求められる。

参考文献[1] 市川行和、 大谷俊介 「原子分子物理学ハンドブック」(朝倉書店、2012)[2] Naofumi Nishida Doctoral Dissertation January (2020) Graduate School of Science,
Kobe University

pp.129-144[3] Naofumi Nishida et al., e-J. Surf. Sci. Nanotech. Vol.16 (2018) pp.356-359[4] SPI Supplies
図 9 1 価 Ar イオン一つ当たりの発光強度

イオン一つ当たりの強度は電流値に依らずある一4

HOPG TECHNICAL NOTE