○

印は登壇者, ★は応用物理学会北海道支部発表奨励賞審査希望者の講演
印は日本光学会員の講演※

第 59 回 応用物理学会北海道支部
第 20 回 日本光学会北海道支部
合同学術講演会予稿
B 会場
B-2
B-2-1
B-2-2
B-2-3
B-2-4
B-2-5

B-2-6
B-2-7
B-2-8

（B31 講義室）
1 月 6 日（土）15:30 ~ 17:30

座長：本久順一（北大工）イオン層エピタキシー法による ZnO ナノシートの完全選択合成 ★
○松村竜之介 1，風間勇太 1，Narathon Khemasiri2, 長島一樹 2（北大理学部 1, 北大電子科学研究所 2）
高配向 CNT 薄膜を実現するための成膜条件の探索○
村井 達, 川上 佳悟, 高橋 飛翔, 中村 基訓（旭川高専生産システム工学専攻）
Ar または He 中で蒸着したポーラス Al 膜の作製と特性評価 ★
○工藤 聡大, 川村 みどり,木場隆之,阿部 良夫（北見工大）
K2SO4・(NH4)2SO4 の混晶育成及び物性測定○佐伯 瞬, 磯田 広史（室蘭工業大学大学院）
Thermoelectric Ba1/3CoO2 Freestanding Single Crystalline Films ★
○(D) Kungwan Kang1, Fumiaki Kato2, Akitoshi Nakano2, Ichiro Terasaki2,
Hyoungjeen Jeen3, Hiromichi Ohta4（IST-Hokkaido Univ. 1, Physics-Nagoya Univ. 2, Physics-Pusan Nat’l Univ. 3,
RIES-Hokkaido Univ. 4）
Ag/ZnS/Ag 外部共振器構造による OLED 発光波長の精密制御 ★
○増田 侑杜，木場 隆之，川村 みどり，阿部 良夫（北見工大）
電子衝突解離断面積の測定における初期電子エネルギー分布の影響 ★
○岩部 由芽，川口 悟，髙橋 一弘，佐藤 孝紀（室蘭工業大学）
二重シャッタードリフトチューブを用いた気体中の電子輸送係数測定 ★
－低電流領域における測定方法の確立－○
塚本 優希，川口 悟，髙橋 一弘，佐藤 孝紀（室蘭工業大学大学院工学研究科）

イオン層エピタキシー法によるZnO ナノシートの完全選択合成
北大理 1，北大電子研 2○(B4)松村竜之介 1，風間勇太 1，Narathon Khemasiri2, 長島一樹 2
E-mail: matsumura.ryunosuke.t8@elms.hokudai.ac.jp【背景および目的】二次元ナノ材料である酸化亜鉛ナノシート(ZnO NSs)は、ZnO の機能物性である高い励起子結合エネルギー（60meV）、ワイドバンドギャップ(3.37eV)、堅牢性と２次元結晶の柔軟性、原子層制限空間などの構造特性を併せ持つ魅力的なナノ材料であり、ナノエレクトロニクスやフォトニ
クス分野で注目を集めている。現在までに CVD/PVD 法、層状物質剥離法等、様々な合成アプローチが報告されてきたが、特に油水界面に配列した界面活性剤分子層をテンプレートとして利用する『イオン層エピタキシー法（ILE 法）』は簡便性と拡張性から有望な方法論として期待されている。しかしながら、従来の ILE 法による ZnO NSs の合成反応では不要な副生成物が同時に形成され、ナノシートのデバイス応用展開へ向けた本質的な課題となっている。本研究では副生成物の正体やその形成メカニ
ズムを明らかにすると共に ZnO NSs の完全選択合成の設計指針構築に成功したので報告する。
【実験方法】硝酸亜鉛六水和物（Zn(NO3 )2 ∙ 6H2 O）とヘキサメチレンテトラミン（HMTA）を 2:1 のモル比で脱イオン水 15mL に混合して成長溶液を調製した。Zn(NO3 )2 ∙ 6H2 Oの濃度は 0.01-40mM の範囲で変調した。次いで、7mM のドデシル硫酸ナトリウム（SDS）溶液を 80℃で酢酸エチルと混合し、100µLの SDS 溶液を成長溶液表面に滴下した後、2 時間静置した。ZnO NSs の合成は 60-80℃、2 時間の条件
で行い、成長溶液表面に形成された ZnO NSs をディップコート法により Si/SiO2 基板に転写した。ZnO
NSs および副生成物の形状は走査型電子顕微鏡（SEM）にて評価した。
【結果および考察】初めに既報の生成物の形成が確認された。副生成物に対して各種トリートメント（O2 プラズマ照射、酸処理）を施した結果、副生成物の正体は不完
全に反応した Zn 由来の化合物であることが明らかとなった。実際に合成温度を 80℃まで上昇させ

14

Length of NSs
Length of NRs
6

12

Selective GrowthWindow

10
SDS 4.6x10-2mM

4

8
6
4

2

Length of NRs [µm]NSｓの合成を行った所、多量の副Ege length of NSs [µm]合成条件（Zn 25 mM、60℃）で ZnO

8

2
0

0
0.1

1
10
Zn concentration [mM]Figs. SEM image of selectively synthesized ZnO NSs (left) andselective growth window on ZnO NSs/NRs synthesis (right).

た際には、反応が完全に進行し ZnO ナノロッド(ZnO NRs)の形成が確認された。核形成理論に基づく
選択成長の可能性探索として、Zn 前駆体濃度を系統的に変調した所、ZnO NSs・ZnO NRs 間で臨界
核生成濃度の差異は見られなかったものの、Zn 前駆体濃度の減少に伴って副生成物である ZnO NRsの発生が急激に抑制される結果を得た。そこで、油水界面近傍における SDS の分布を制御し、狙いの空間位置への Zn 前駆体の誘導を試みた所、ZnO NSs・ZnO NRs の臨界核生成濃度の差異に由来する“Selective Growth Window”の発現が確認された。本設計指針に基づき、Zn 前駆体濃度の精密制御を試みた結果、ZnO NRs の発生のない ZnO NSs の完全選択合成に成功した。本研究で構築した選択合成の設計指針は、ZnO NSs の更なる構造制御やデバイス応用展開に向けて極めて重要な知見である。

高配向 CNT 薄膜を実現するための成膜条件の探索
旭川高専
1.

○

村井 達, 川上 佳悟, 高橋飛翔, 中村 基訓

はじめにカーボンナノチューブ(CNT：Carbon NanoTube)は集積回路や太陽電池などの電力デバイスへの応用を目指して様々な研究が行われている．CNT のデバイス適用を考えた場合，例えば薄膜などの形態で利用することができれば応用分野はさらに広がるが，薄膜化した CNT
はランダムに配向することから CNT が持つ特性を十分に発揮できない課題があった．
そこで，我々は CNT を配向させて薄膜化する手法として，ろ過速度を注意深く制御した真空ろ過法に着目し，特定の CNT 懸濁液においてよく配向した CNT 薄膜の形成に成功している[1]．しかしながら，本手法のポイントである
ろ過速度の調整は，ろ過された液滴の滴下時間を目視にて測定し，ろ過瓶内の圧力を手動操作で調整する必要があり，人為的な誤差が大きいという課題がある．
本研究室ではこれまで，このろ過速度の安定化に着目し，真空ポンプを用いたろ過瓶内圧力調整による速度制御ではなく，ペリスタポンプ
による速度調整機構を取り入れたろ過システ
ムを開発してきた[2]．本報告では，このシステ
ムを用いて，CNT 配向膜の形成に最適なろ過速度のパラメータを見出すために，ろ過速度が配向度に与える影響について調査した．

Fig.1 本システムの概略と撮影した液滴
3.

結果と考察

高配向膜を得るには，これまでの手動での成膜の経験から，ろ過終盤にろ過速度を上げる必要があることがわかっている．そこで，ろ過の序盤～中盤をステップ 1，終盤をステップ 2 として，ろ過速度を 2 段階に設定して成膜を行った．Table1 にろ過速度を制御し成膜した CNT
配向膜の吸光度測定結果を示す．サンプル A ではろ過速度をステップ 1：3.0[mL/h]，ステップ
2：6.5[mL/h]に設定し，サンプル B では，A のおおよそ倍の速度となるステップ 1：5.8[mL/h]，ステップ 2：11.3[mL/h]で成膜した．
CNT 膜の配向度の評価方法は，まず光学素子を用いてレーザーの偏光軸を回転させ，吸光度を測定する．CNT は入射光の偏光軸と CNTの配向方向が一致すると光を吸収するので，その最大値と最小値の差が大きいほど配向度が高いと評価できる．測定箇所による違いを確認するため同一サンプルでそれぞれ４箇所の位
2. 実験
置における配向度を測定している．
Fig.1 には，今回使用したろ過システムの概
A と B を比較すると，A の 4 箇所の配向度平略図を示す．フィルタメンブレンを装着したフ均は 1.60，最大値は 1.72 であるのに対し，Bィルタヘッドの上にファネルを固定し，その中は配向度平均が 1.28，最大値は 1.41 と A に比に CNT 懸濁液を入れる．従来法では，フィル
べて配向度が低い．この結果から，ろ過速度にタヘッドからろ過された液体が滴下する間隔
対して配向度が強く依存していることと考えを目視により測定しており，誤差が大きかった． られる．
さらに速度の調整はろ過瓶内の圧力を手動で講演ではステップ 1，2 のろ過速度をパラメ調整していたため，応答性が悪く制御が難しいータとして CNT 配向膜との関係について詳細という課題があった．これらの問題を解決するを報告する．
べく，液滴の体積をそろえるために医療用の点
Table1. CNT 配向膜の配向度測定結果
滴筒をフィルタヘッドの後段に接続し，ろ過速
1
2
3
4
平均
度の調整には送液速度がコントロールできる
A
1.61
1.72
1.46
1.60
1.60
配向度
B
1.34
1.41
1.09
1.28
1.28
ペリスタポンプを使用した．液滴の滴下時間の参考文献
測定にはマシンビジョンを取り入れ，点滴筒の先端部分を撮影し，
Raspberry Pi 上の OpenCV[1] X. He et al., Nature Nanotech.11, 633(2016)
を用いたソフトウェアで水滴を検出すること[2] 鍛治澤路我ほか, 第 58 回応用物理学会北海道支部合同学で滴下時間の自動測定を可能にした．
術講演会

Ar または He 中で蒸着したポーラス Al 膜の作製と特性評価
Fabrication and characterization of porous Al films deposited in Ar/He gas
北見工大○(M1)工藤 聡大,川村 みどり,木場 隆之,阿部 良夫

Kitami Inst. of Tech., ○S. Kudo, M. Kawamura, T. Kiba, Y. Abe
E-mail: m3235400154@std.kitami.-it.ac.jp【緒言】 ポーラス構造を持つ金属膜は、黒色を呈し、高光吸収率、高表面積、低密度といった特徴を有するためセンサーデバイスなどへの応用が期待されている。ポーラス Al 膜は他のポーラス
メタル膜と比べ安価であり、安定性も高い。1）作製法として貴ガスを導入した低真空下での真空蒸着法が知られている。最近の研究では Ag ポーラス膜の作製時に He ガスを導入すると、Ar ガスを導入した場合より膜の吸収係数が高いとの報告があった。２）しかしポーラス Al 膜作製におけるガス種の影響は報告されていない。そこで本研究では Ar または He 中でポーラス Al 膜を作製し、膜特性への影響を明らかにする。
【実験方法】 抵抗加熱式真空蒸着装置を用いて一度、2.4×10⁻⁴ Pa まで排気した後、Ar または
He ガスを導入した。2、20、100 Pa の圧力下で Al ワイヤーを蒸発させ、ガラスまたはシリコン基板上にポーラス Al 膜を成膜した。蒸着源と基板との距離は 15 cm、蒸着時の電流は 30 A、蒸着時間は 60 s 一定で成膜した。作製した試料は SEM による膜表面および断面観察、分光光度計を用いた反射率・透過率測定を行い、波長 400nm から 2300nm までの平均の吸収率及び吸収係数をガラス基板の寄与を除去して算出した。２）さらに電子天秤による質量測定の結果から密度、充填率、空隙率を算出した。
【結果と考察】Fig.1 は Ar/He ガス圧 20 Paで成膜したポーラス Al 膜の SEM 像である。
これより、He ガス下で作製した膜の方が、隙間の多い構造となっていることがわかる。断面 SEM 像から、He ガス下の方が厚膜であることが判明した。両者の充填率は、Arガス下では 7.4 %、He ガス下では 1.8 %とな
り、Ar ガス下の方が高充填率であることがわかった。Fig.2 は Ar/He ガス 20 Pa で成膜した膜のFig.1 SEM images of porous Al films deposited in(a)Ar (b)He

吸収スペクトルである。これより、He 中での成膜の方がより高い吸収を示すことがわかる。しかし両者の膜厚が異なるため、吸収係数を求めて比較した結果を Table 1 に示す。その結果、どの圧力でも Ar ガスの方が高い値を示していることがわかる。特に 20 Pa で作製した膜では、吸収係数がAr ガス下では 1.40 μm−1、He ガス下では 0.493μm−1と最も大きな差となった。これは Ar 中成

Fig.2 Absorption of spectra of samples deposited at 20 Pa.

膜の充填率の差が 5.6 %と大きかったことと対応する。以上よりポーラス Al 膜の成膜においては、
He ガスよりも Ar ガスを導入した方が、より高い吸収特性を有する膜が得られることがわかった。
1)Y.Hao et al. Infrared Phys. Technol., 115 (2021) 103735.
2)Y.Hao et al. ACS Appl. Nano Mater., 5 (2022) 8612 -8620.

Table 1 Absorption coefficient of samples
obtained under each condition

K2SO4・(NH4)2SO4 の混晶育成及び物性測定
室蘭工業大学大学院

〇佐伯

瞬,

磯田

広史

【目的】本研究室では、様々な硫酸化合物結晶の作製、物性測定を行っている。その中でも、現在は(NH4)2SO4 に着目している。(NH4)2SO4 は、直方晶系で約-50℃で常誘電相から強誘電相へ相転移することが知られている[1]。本研究室
では、これまで (NH4)2SO4 の単結晶育成、(NH4)2SO4 ベース
での K2SO4 との混晶育成及び物性測定を行ってきた。その中で、混合比率毎に異なる誘電特性を示すデータを取ることができた。K2SO4 をベースに変えた場合は、どのような変化が起こるのか調べるために本研究を行った。
図 1:作製した単結晶(2,1,1)(0,3,1)【実験方法】 混晶育成では、水溶液の蒸発法を用いて育成を行った。今回、質量比で K2SO4: (NH4)2SO4＝6:4 で母液

a=7.5381[Å]1000b=10.1078[Å]

度依存性の測定、解析を行った。X 線回折は、Rigaku 製全で、T=20～-43℃の温度範囲で測定を行った。

(0,8,2)

ZM2353 を用いて、電圧 V=1V、周波数 f=1kHz の測定条件下(2,5,3)(5,4,0)

行った。誘電率の温度依存性では、NF 製 LCR メーター

(4,3,2)(0,7,1)(3,6,1)

θ/θ、範囲 5～90degree、スキャンスピード 20deg/min で(0,2,0)(1,2,0)(2,0,0)(2,1,0)(1,2,1)(2,0,1)(2,2,1)(2,3,0)(3,1,0)(1,2,0)(3,1,1)(1,3,2)(3,3,0)(2,4,1)(3,4,0) (4,0,0)晶を粉末化した試料で測定、解析を行った。スキャン軸 2

c=5.7943[Å]Intensity [a.u.]

自動多目的水平型 X 線回折装置 Smartlab を用いて、単結(1,3,3)(4,3,1)

作製を行った。物性測定は、試料の X 線回折、誘電率の温0【結果・考察】育成した混晶の一つを図 1 に、また結晶の

20

40

60

80

2θ [degree]

粉末 X 線回折結果を図 2、比誘電率の温度依存性を図 3 にそれぞれ示す。結晶の外観は、スが入って少し白くなって

図 2:粉末 X 線回折結果いた。粉末 X 線回折を行った結果より、K2SO4 で指数付けを行い格子定数は a=7.5381[Å],b=10.1078[Å],c=5.7943[Å]
1回目

25であった。過去の本研究室で行った K2SO4 の誘電率測定では変化は見られなかったが[2]、今回は 1,2 回目ともに誘電率測定での条件で測定を行い、変化が見られたので再現性があると考え

ε'は-19℃～-20℃で比誘電率が小さくなる異常がみられた。同様

2回目

20

た。今後は、最適な試料の作製法確立、測定を行っていく予定である。
【参考文献】[1] Akikatsu Sawada, Yasuharu Makita and Yutaka Takagi(1975)[2]荒井真吾 他,第 55 回応用物理学会北海道支部学術講演会講
演予稿集

15
−40

−20

0

Temperature [℃]
図 3:誘電率の温度依存性

20

Thermoelectric Ba1/3CoO2 Freestanding Single Crystalline Films(D) Kungwan Kang1, Fumiaki Kato2, Akitoshi Nakano2,○

Ichiro Terasaki2, Hyoungjeen Jeen3, and Hiromichi Ohta4
1IST-Hokkaido Univ., 2Physics-Nagoya Univ., 3Physics-Pusan Nat’l Univ., 4RIES-Hokkaido Univ.

E-mail: kkwjjang2@gmail.com
Thermoelectric energy conversion technology
has garnered significant attention as a means ofharnessing energy from waste heat, utilizing the
Seebeck effect to convert it into electricity. Amongthe array of thermoelectric materials, those basedon conducting oxides exhibiting a high figure of
merit have emerged as particularly promising.
These materials offer notable advantages,
including excellent chemical and thermal stability,
along with a non-hazardous nature, distinguishingthem from chalcogenide-based thermoelectricmaterials commonly considered state-of-the-art.
Within the realm of oxide thermoelectric materials,
one standout candidate is Ba1/3CoO2, characterized
by its layered crystal structure[1]. This material
showcases an impressive thermoelectric figure of
merit (ZT) of 0.55 at 600 °C when measured in the
Figure | Fabrication of freestanding Ba1/3CoO2
in-plane direction under standard conditions.
single crystalline films. Peeling-off procedure of
Notably, this ZT not only represents the highest
Ba1/3CoO2 epitaxial films.
among reliable measurements but also places it in
the same league as other renowned p-type thermoelectric materials like PbTe and SiGe when evaluated at
600 °C [2]. In practical applications, the utilization of Ba1/3CoO2 necessitates the fabrication of bulk ceramics
or single crystalline forms. Here, we show freestanding Ba1/3CoO2 single crystalline films, accomplished bydelicately detaching the Ba1/3CoO2 epitaxial films from their substrate (see Figure) [4]. The process entails
creating Ba1/3CoO2 epitaxial films and immersing them in 40 °C hot water for several minutes [3].
Subsequently, the Ba1/ 3CoO2 epitaxial film spontaneously separates from the substrate and floats atop thewater's surface, akin to seaweed. We conducted an exhaustive analysis of the crystal structure, chemicalcomposition, and thermoelectric properties both before and after this peeling process, revealing negligible
differences. These findings represent a valuable advancement, offering a practical methodology for producing
freestanding oxide single crystalline films specifically tailored for thermoelectric applications.
References[1] Y. Takashima, Y. Zhang, J. Wei, B. Feng, Y. Ikuhara, H.J. Cho, H. Ohta, J. Mater. Chem. A 9, 274 (2021).
[2] X. Zhang, Y. Zhang, L. Wu, A. Tsuruta, M. Mikami, H.J. Cho, H. Ohta, ACS Appl. Mater. Interfaces 14,33355 (2022).
[3] K. Kang, F. Kato, A. Nakano, I. Terasaki, T. Endo, Y. Matsuo, H. Jeen, H. Ohta, ACS Appl. Electron.
Mater. 5, 5749 (2023).
[4] H. Ohta, A. Mizutani, K. Sugiura, M. Hirano, H. Hosono, and K. Koumoto, Adv. Mater. 18, 1649 (2006).

Ag/ZnS/Ag 外部共振器構造による OLED 発光波長の精密制御
Precise control of emission wavelength of OLEDs using Ag/ZnS/Ag external resonator.
北見工大，○増田 侑杜，木場 隆之，川村 みどり，阿部 良夫
Kitami Inst. of Technol., ○Yuto Masuda, Takayuki Kiba, Midori Kawamura, Yoshio Abe

E-mail: m3225400223@std.kitami-it.ac.jp【緒言】金属/誘電体/金属(MDM)構造は、対称的な 2 つの金属/誘電体界面に生じる表面プラズモ
ン(SP)間の相互作用により分散関係が変化し、表面プラズモンと光子が結合可能になる。その結果 MDM 構造内を特定波長の光が透過し、その透過光の波長は誘電体膜厚により制御できること
から、MDM 構造はカラーフィルターとして機能し、様々な応用が期待できる[1]。一方、反射率の高い金属薄膜電極を用いた OLED 中で生じるマイクロキャビティ効果は、電極間に挟まれた有機層厚さに応じた特定波長の光を選択的に増強する。我々はこれまでに、Ag/ZnS/Ag (AZA)構造を
緑色 OLED の陽極として組み込む事で、AZA 中の表面プラズモンと金属電極間のマイクロキャビ
ティモードの２つが発光スペクトル形状に大きな影響を与える事を報告した[2]。本研究では、
AZA-OLED の外部共振器となる AZA 構造の ZnS と Ag の膜厚を変化させ、プラズモンとマイク
ロキャビティモード間の共鳴関係および結合強度を調整することにより、発光スペクトルの分裂を含むスペクトル形状、およびピーク波長の制御を試みた[3]。
【実験方法】抵抗加熱式真空蒸着法を用いて、AZA 積層膜および AZA-OLED をガラス基板上に作製した。作製した AZA-OLED の構造について Fig. 1 に示した。AZA 積層膜の Ag 層の下部は 30
nm、上部は 15 nm と 30 nm に固定し、ZnS 膜厚は 30, 45, 60, 75 nm と変化させた。AZA 積層膜では、透過、反射スペクトルを、AZA-OLED については、EL スペクトル、電流密度-電圧-輝度(J-V-L)
特性を測定した。一方、AZA 積層膜および AZA-OLED についての電磁界解析シミュレーション(Lumerical, Ansys)を行い、透過・反射・EL スペクトルに関して実験結果との比較を行った。
【結果と考察】 Fig. 2 に AZA-OLED(ZnS 30, 45, 60, and 75nm)の中間層の膜厚変化に伴う EL スペクトルを示した。Fig.
2(a)の Top-Ag 30 nm の EL スペクトルは、ZnS 30 nm でマイクロキャビティの共振波長の近傍に単一の鋭いピークを示した。そして、45, 60 nm と ZnS 膜厚が増加すると、AZAにおける表面プラズモンをマイクロキャビティモードとの結合による発光ピークの分裂を観測した。特に 60 nm では、
マイクロキャビティの共振波長と表面プラズモンの共鳴波長が一致し、ピーク間隔が最大となった。これらのスペク
トル変化は、FDTD 計算により予測した結果と概ね一致していた。さらに Fig. 2(b)に示すように、Top-Ag 膜厚を 30 nm
から 15 nm にすることで、エネルギー分裂幅の拡大と EL
ピークの狭帯化を確認し、緑色発光の色純度が向上した。
AZA-OLED は、OLED 構造の膜厚を維持したまま、外部共振器である AZA 陽極の ZnS や Ag 膜厚の変化のみで、発光波長と線幅の制御が可能であり、デバイス性能を損ねる事なく色純度の向上が可能である事が示唆された。
【参考文献】[1] J. Feng et al. Applied Physics Letters, 90, 081106 (2007). [2] M. Ohara et al. Thin Solid Films, 704, 137999 (2020).
[3] Masuda et al. ACS Photonics, under review.
【謝辞】本研究で使用した Alq3 は、日鉄ケミカル＆マテリアル社より提供を受けたものです。

電子衝突解離断面積の測定における初期電子エネルギー分布の影響
Effects of initial electron energy distribution on the measurement of electron-impact
dissociation cross section
室蘭工大， 岩部 由芽， 川口 悟， 髙橋 一弘， 佐藤 孝紀
Muroran I.T.，Yume Iwabe, Satoru Kawaguchi, Kazuhiro Takahashi and Kohki Satoh
電子衝突解離断面積の測定では，質量分析法の原理が利用されており，低ガス
圧力において電子のエネルギーを変化させながら気体分子に衝突させ，生成される各種イオンによる電流を測定している。この測定結果では，イ
オン電流値がしきい値付近から曲線的に増加しはじめ，その後，衝突電子エネルギーに対して直線的に増加する形状となる。この形状について
Tanaka et al[1] は，フィラメントから放出される熱電子群の初期エネルギー分布に由来するものであると報告している。当研究室においても同様な方法で絶縁ガスについて解離性電離断面積を測定しており，その測定結果においても，しきい値
付近で Tanaka et al と同様の形状となることが確認されている[2]。
本研究の目的は，解離性電離断面積のしきい値決定における初期電子エネルギー分布の影響を明らかにし、しきい値決定の精度を向上させることである。今回は Ar を対象とし，この影響についてシミュレーションにより検討を行ったので，その結果について報告する。

2. 計算方法

参

3

100
80

15

60

10

0

40

60

80

0
100

6000
5000

30
initial energy = 0 eV
Cross section

25

4000

20

3000

15

2000

10

16.16 eV

1000
0
15

5

16

17

18

19

Acceleration voltage (V)Acceleration voltage (V)(a) 0 – 100 eV(b) 15 – 20 eV

図 2 加速電圧に対する電離衝突回数

0
20

2

20
20

献

3

40

5

0

文

Cross section (x10 cm )120

initial energy = 0 eV
Cross section

20

考[1] Tanaka et al. : Jpn. J. Appl. Phys., 37, Pt. 1, No. 9A (1998)[2] 佐藤ら : 電気学会北海道支部 予稿集 p.20 (2022)[3] 佐藤 : 応用物理, 89, 253 (2020)

2

電子衝突電離型
質量分析の原理

図 2 は，フィラメント－イオ
ン化室間の印加電圧(以後加速電圧と記す)に対して，イオン化室内の電離衝突回数を示したものである。なお，ガス圧力が十分に低いので，イオン化室に入るときの電子エネルギーは加速電圧と等しくなってる。図 2(a)では，Ar の電離断面積も重ねて示しており，電子エネルギーに対する電離回数の変化は，電子衝突断面積の形状と一致していることがわかる。また，図 2(b)より，電離断面積のしきい値付近では，初期電子エネルギーが分布を持たない場合でも曲線的に増加する形状となっている。よって，しきい値付近のイオン電流の形状は必ずしも初期電子エネルギーの分布に由来するものではないことがわかる。
Tanaka et al はしきい値付近のイオン電流の変化の形状が電子の初期エネルギー分布に由来する
ものと仮定したため，イオン電流が直線的に減少する部分を低エネルギー側に延長することでしきい値を決定しているが，この方法に従うと，図2(b)中の破線より，しきい値は 16.16 eV となり，実際の値(15.75 eV)よりも約 0.4 eV 大きくなる。
当研究室で Ar と N2 のイオンの電流値を測定した
結果では，どちらも約+3.6 eV の差となった。よって，イオン電流のしきい値を決定するためには，しきい値が既知のガスを用いてキャリブレーシ
ョンが必要であると考えられる。
本研究は JSPS 科研費 19K03806 の助成を受けて実施されたものである。

3

図 1

25x10

3. 計算結果

Cross section (x10 cm )Number of ionization collisions

図 1 は，当研究室で使用している質量分析計の構造を示している。フィラメン
トから熱電子が放出され，電子はフィラメントとイオン化室の間の電界によって加速される。加速された電子はイオン化室内に入り，気体分子と衝突することでイオンを生成する。生成されたイオ
ンはマスフィルターで分離され，検出される。
本研究では，フィラメントを 0 eV で出発した電子が，イオン化室に入るまでに一様電界で加速される場合を仮定し，イオン化室内での電離衝突の回数をサンプリングした。電子の飛行は Monte
Carlo 法[3] を用いて正確に計算している。シミュ
レーション条件は実験条件と同一にし，ガス圧力は 7.6×10-6 Torr，ガス温度は 293.15 K とした。なお，初期電子数は 2×108 個とした。

Number of ionization collisions

1. はじめに二重シャッタードリフトチューブを用いた気体中の電子輸送係数測定－低電流領域における測定方法の確立－
室蘭工大， 塚本 優希， 川口 悟， 髙橋 一弘， 佐藤 孝紀
Muroran I.T.，Yuki Tsukamoto, Satoru Kawaguchi, Kazuhiro Takahashi and Kohki Satoh1. はじめにハロゲン原子を含むガスはプラズマエッチ
ングやガス絶縁に用いられ，その電子輸送特性の理解が求められている。 二重シャッタード
リ フ ト チ ュ ー ブ (Double Shutter Drift Tube :DSDT) は 電 子 到 着 時 間 分 布 (Arrival Time
Spectra : ATS)を電流として測定する装置であり，得られた ATS から平均到着時間ドリフト
速 度 な ど の 電 子 輸 送 係 数 を 導 出 で き る [1] 。
DSDT の測定には振動容量型エレクトロメータが用いられており，測定電流が小さい場合にはキャパシタの充電時間を考慮した測定が必要となる。一般にハロゲン原子を含むガスは電子付着が多く電流値が小さくなる傾向がある。
本研究では低電流領域における正確な ATS
測定を目的とし，エレクトロメータの応答がATS に及ぼす影響を調べたのでその結果を報告する。
2. 実験方法
円筒状チェンバー内(内径  250 mm×高さ 350mm)に金蒸着を施した石英板を組み込んだ光
電陰極を設置するとともに，その下方に電子捕集電極を配置する。光電陰極の直下および捕集電極の直上に，ステンレス製のメッシュ板を 2
枚 1 組としたシャッターをそれぞれ設置し，2
つのシャッター間をドリフト空間とする。
図 1 はチェンバ―内の電位分布を示す。ドリフト空間に一様な電界 E を印加し，光電陰極の背面から紫外線を照射することで光電陰極から初期電子を発生させる。初期電子は右方向へ進むが，S1 に印加された阻止電圧により電子はドリフト空間へ進むことができない。ここで，S1 の左側のメッシュに阻止電圧を打ち消す方
向のパルス電圧を印加するとで，瞬間的に S1 の電位分布が図 1 の破線のようになり，電子群をドリフト空間へと放出させることができる。

図 1 チェンバ―内の電位分布

ドリフト空間に入った電子群は電界と逆方向にドリフトし，シャッターS2 へ到達する。S2 には実線で示す阻止電圧が印加されており，S2 の右側のメッシュに阻止電圧を打ち消す方向のパルス電圧を印加することで S2 の電位分布を瞬間的に破線のような電位分布とし，S2 に到達した電子群を捕集電極へ移動させる。S1 を開く
タイミングに対して S2 を開くタイミングを少しずつ遅延させ，各遅延時間における電流を振動容量型エレクトロメータを用い測定することで ATS を得る。
今回の実験では N2 ガス中において，電流値が 10-13 A オーダーとなるように設定し，シャッ
ターを遅延させた直後から 57.5 s 後および 2 s
後の電流値をサンプリングした。

3. 実験結果
図 2 は S1 を開く時間に対し，S2 を開く時間
を 170 ns 遅延させたときのエレクトロメータの測定値の変化を示す。0 ~ 50 s では測定値に過渡的な応答が見られ，50 s 以降では一定になっていることが確認できる。
図 3 はシャッターの遅延から電流値のサンプ
リングまでの時間が 57.5 s および 2 s の ATS をそれぞれ実線および破線で示す。2 s の ATS は57.5 s の ATS と比較し遅れていること，
および，
立下りが緩やかであることがわかる。これは 2s ではエレクトロメータの測定値が定常状態に達しないためであり，低電流領域ではシャッタ
ーの遅延から電流値のサンプリングまで十分な時間が必要であることを示している。
参
[1]

考

文

献

K. Kondo and H. Tagashira: J. Phys. D : Appl. Phys. 23,1175 (1990)

図 2 エレクトロメータの測定値の変化

図 3 ATS