242■談話室

CERN 夏の学校
名古屋大学大学院 理学研究科

廣 瀬茂 輝shigeki@hepl.phys.nagoya-u.ac.jp
2011 年 10 月 28 日
私は 7 月 5 日(火)  9 月 9 日(金)までの 10 週間，CERN時間が短縮できれば，それは則ち半減期の短い RI も利用で夏の学校に参加しました。このプログラムの参加者は，割きるようになり，この種の測定に使えるドーパントの種類り当てられた指導教官に指導を受けながら，CERN で約 10を増やすことができます(図 3 参照)。

週間の研究を行います。私は ISOLDE(Isotope Separator
OnLine DEtector)の固体物理グループの研究者である KarlJohnston の下で，拡散チェンバーおよび PL(Photo Luminescence)分光測定を行いました(図 1 参照)。この期間中に行った研究や生活の様子などをここで報告します。

図2

図1

拡散チェンバーISOLDE 実験ホール1 研究
1.1

ISOLDE について

ISOLDE は，PSB(Proton Synchrotron Booster)で加速された 1  1.4 GeV の陽子をターゲットに衝突させ，核反応に

図 3 マスに色が塗られている元素が拡散チェンバーで利用可能。
特に緑色の元素(印刷された会誌では濃い灰色の元素の一部：C, N,O, Ne, Al, Cl, Fe)は新たに使えるようになるものを表す。

より生成された RI をマグネット(セパレータ)で質量別に分け，純粋な RI ビームとして各実験に供給する施設です。こ

私が CERN に着いた時点では，このチェンバーはドイツこで作ることができる RI は 70 元素 700 種類に上ります。

でオフラインでの動作テストが行われた後，CERN に送らより詳 しい 説明 に つ いて は， ISOLDE のウ ェ ブサイトれてきたところでした。このチェンバーのビームラインへ

http://isolde.web.cern.ch/isolde/ などを参照して下さい。の取り付け，動作テストを行い，マニュアルを作ることが今回の私の仕事になりました。これ自体は実験というより1.2 拡散チェンバーは“作業”に近いものでしたが，実際にビームラインに部品
1拡散チェンバーとは，半導体サンプルへの RI のドープ ，2を取り付け，排気をし…という作業が初めてでしたので，アニーリング，g 線検出までをすべてチェンバー内で行い ，非常に良い経験になりました。その後各パーツの動作確認

これまで実験に数時間以上かかっていた時間を約 10 分程度をしながらチェンバーの動きを理解し，マニュアルを作成に短縮することを目指すチェンバーです(図 2 参照)。実験しました。
予定では最後のまとめとして実際に RI ビームを使った

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RI は ISOLDE で RI ビームを使います。

スパッタリングしたドーパントをアニーリングにより拡散させたサンプルに対して，数百 nm オーダー厚の層ごとに RI の g 線を検出することで各層の濃度を推定し，原子の拡散を観察します。

ビームテストをするはずでしたが，その当日に ISOLDE のセパレータに問題が発生し，急遽ビームタイムが優先度の高い実験に割り当てられてしまったため，とても残念なこ243とにこれは中止となってしまいました(その後，ビームテス
トは私の帰国後に行われ，無事に正常動作が確認できたとのことでした)。

1.3

PL 分光測定

PL とは，半導体内の自由電子がバンドギャップエネルギーよりも高い光の照射を受けたとき，価電子帯に落ちるときに光を放射するために半導体が発光する現象のことです。
この放射光のスペクトラムを測定することで，バンドギャップ内にどのようなエネルギー準位が存在するかを調べることができます。今回使用した測定装置の概略を図 4 に示し

図5

PL 分光測定結果(低分解能)

図6

PL 分光測定結果(高分解能)

ま し た 。 電 子 の 励 起 に は HeCd レ ー ザ ー ( 波 長325 nm = 3.8 eV )を使い，電子の熱運動による影響を抑えるためにサンプルを液体 He で 4 K に冷却します。

図4PL 分光測定装置概略
3

今回は純粋な ZnO サンプルと Mg をドープした P 型 GaN半導体(GaN:Mg)， Zn をドープした N 型 GaN 半導体

ぼ一致していることに気づきます。常温での GaN のバンド(GaN:Zn)のサンプルを使い，それぞれのスペクトラムを比ギャップエネルギーは 3.4 eV であることが知られており，較しました。ZnO や GaN は青色発光デバイスに用いられ低温でバンドギャップの幅が狭くなっていることがわかりているもので，青色領域にバンドギャップエネルギーを持っます。また ZnO のみ，バンドエッジよりも左側に等間隔にています。ですが ZnO は酸素の電気陰性度の高さのためにいくつかのピークが見えています。これは自由電子が価電P 型半導体が作りにくいという欠点があり，良品率は 30 %

子帯に遷移する際にエネルギーの一部を格子振動として放程度でしかありません。一方でレアメタルを使わない ZnO出するために，放射のエネルギーが飛び飛びの値で低くなっは安価であるというメリットを持つため，この問題を結晶ているのが見えているものです。格子振動は原子間の結合構造レベルで理解し，最終的にはより良品率の高い製造方が強いほど起きやすいので，ZnO の方が強く結合している法を探りたいというモチベーションが背景にあります。ということがわかります。

今回は 3 種類のうち GaN:Zn は発光強度が弱く発光が検PL 分光測定からわかることは“どのようなエネルギー準出できませんでしたので(アニーリング前のサンプルであっ位があるのか”という統計的情報のみで，具体的に“なぜそたため，ドープ時の格子欠陥が多かったためであると考えのエネルギー準位が形成されるのか？”，“どの原子同士がられます)，ZnO と GaN:Mg の 2 種類のスペクトラムを比どのような結合をしているのか？”という問題は，摂動角相較しました。

関測定やメスバウワー分光測定などを利用し，それぞれの測定データを図 5・図 6 に載せました。図 5 は広いレン結果を合わせながら，結晶構造を解析することになります。

ジ(波長 150 nm 分を 2048 点で測定)でのデータで，一目見

今回 CERN で行った研究は，素粒子物理から離れた“固てわかるように，GaN:Mg サンプルには低エネルギー領域体物理”という私にとっては未知のものでした。そのためわに幅の広いピークが現れています。これは深い準位によりからないことがとても多く苦労しましたし，正直なところ形成されるものと推定できます。また図 6 は狭いレンジ(波十分に深く掘り下げられなかった部分も多々ありました。

長 20 nm 分を 2048 点で測定)でバンドエッジ付近を見たものです。これを見ると，両者のバンドエッジは 3.2 eV でほぼ一致していることに気づきます。常温での GaN のバンド3

データの線が何重かにずれて見えていますが，これは分光のために使った反射型回折格子の表面精度があまり良くなかったためだそうです。

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一方で，知らないことが多いゆえに指導教官などと積極的土日は，時には友人たちと，時には一人でよくジュネーに議論することにつながったとも思います。CERN で未知ブの市街地に行きました。レマン湖畔から旧市街地，郊外の分野に挑んだ経験は，自分にとって大きな経験でした。

まで一通り歩いた気がします。私は中学生の時以来弓道をやっているのですが，なんとジュネーブにも弓道場があり，2 その他のプログラム一度訪ねたりもしました。

CERN 夏の学校では，研究以外にも講義(図 7 参照)・施

また，スイスは内陸国という立地と発達した鉄道網を利設見学・ポスターセッション・スチューデントセッション

用して，様々な国に気軽に旅行に行けます。私は国外ではなど，様々な行事が用意されています。施設見学では，私パリ，ローマ(図 9 参照)に，国内ではベルン，ローザンヌ

は LINAC・LEIR・計算機室の見学と CMS の見学に参加しに行き，有名な観光地はもちろん，ツアー旅行では見逃しました。ATLAS 以外の加速器についてはたまに話を聞く程てしまいそうな朝市や日常の街の光景を目にすることがで度で具体的にどのようなものなのかよくわかっていなかっきました。ローマではちょっと油断をして危ない目に遭いたので，実物を見ることができて非常に有意義でした。

そうになったり，日本やスイスほど親切ではない交通機関のために帰りの飛行機にあわや乗り遅れ…などということもあったが，そういうことも含めて良い経験になりました。

図7

講義の様子

3 CERN での生活
夏の学校には非常に多くの国から学生が参加しており，友人たちとの会話の中で他国の文化を感じられたし，英会話に対する自分の中にあった敷居がほぼ取り払われました。

CERN ではホステルの 2 人部屋に宿泊し，ルームメイトの Rene とはかなり仲良くなりました(図 8 参照)。Rene とは毎晩今日は何をしただとか他愛もない話をし，おかげで以前に比べてかなり英語が話せるようになったと思います。

Rene にも，滞在終わりの頃には「大分英語が上手くなったね！」と褒められました。
夏の学校生には日本のアニメ好きが案外いて，Carlos などとはそこから仲良くなりました。

図9

ローマのサンタンジェロ城。西暦 139 年に完成！

4 CERN での経験を生かすこと最高の 10 週間を過ごした後，9 月 12 日に私は日本に帰国しました。私に課せられた次なる課題は，「いかに CERNでの経験を今後の研究に生かすか」だと思います。CERNで行った研究の中で学んだことももちろんですが，CERNで外国人研究者や学生と一緒に研究しなければわからなかったことや感じられなかったことが多くありました。色々ある中で例を挙げるなら，英語で苦労したということがあります。最初は「知っている英語を駆使すればコミュニケーションは何とかなる」と思っていましたし，実際に意思疎通ができず困ったことはあまりありませんでした。しかし研究の中で「議論をする」となると案外大変で，知っている英語をたどっているうちに段々と話に定量性が欠けていった，ということがよくありました。
そういった，CERN に行かなければわからなかったことや感じることができなかったことを，しっかり今後の研究に生かしていきたいと思っています。
最後になりますが，このプログラムへの参加にあたり，非常に多くの方々のお力添えを頂きました。お陰で，とても充実した 10 週間を過ごすことができました。この場を借図8

ルームメイトの Rene とりてお礼を申し上げます。