keV 級イオン励起反応場でのナノ・マイクロ材料創成
田中俊一郎

ない状態で Bottom up 成長したと考えられる．このような.

は じめに照射系は，もともと Xu と Tanaka が圧延積層体壁への電子線照射で断面形状を「転写」することを目的として創始した

イオンと物質の相互作用は加速エネルギーにより概ね決まもので Pt 転写が典型例である(10) ．また Jang と Tanaka はる．イオン種にもよるが 110 eV では「付着」，keV 級ではAr イオン転写した Cu ナノ粒子にイオン照射して Cu3N を「スパッタリング」，MeV 級では「イオン注入」「照射損傷」得ている(11) ．電子線を Ar イオンに変えても転写ができるという異なった現象が固体表面で起こる． MeV 級単一イオン飛程内での現象は関らの論文で述べるが，ここでは keV級イオン照射励起反応場での構造体創成に関して最近の研究をまとめる．
イ オ ン ( 1) と 金 属 の 相 互 作 用 に 関 す る 研 究 は 意 外 に 古 く1942 年に遡る． Guntherschulze と Tollmien(2) はカソード金属材料の開発を目的として，数百 V のガスイオン照射で表面に生成した円錐状構造物を光学的手法で検出している．その後円錐状構造体の生成機構に関して様々な論文が出された．スパッタリング率の低い不純物が残ったとする Stewartと Thompson の説(3)に基づき Seed 物質をあえて供給しながら成長させる研究の流れが Wehner(4) および Okuyama らのグ ル ー プ(5)(6) で 盛 ん に 行 わ れ た ． こ れ は い わ ゆ る Top 
Down と BottomUp 成長が同時に起こると考えられ突起体の 成 長 制 御 に 有 効 な 方 法 で あ る ． Okuyama ら の 研 究 は図1

Penning 型イオン源から得られる直径約 3 mm のAr イオン束．中間部分に試料を設置し照射する．

図2

圧延積層した Cu 断面に Ar イオン照射を行ったときに成長した Cu 突起体(9)．

Tanemura ら に 引 き 継 が れ て お り ， Si nanorod(7) や Cnanofiber(8)の成長を報告している．

.

Ar イオン照射により生成した Cu ナノ・マイクロ突起体

田中らは2002年頃から Penning 型イオン源からの Ar イオ
ン束を Cu 表面に照射することにより円錐状突起体を形成してきた．図は加速電圧 59 kV で得られる直径 3 mm 程度の Ar イ オ ン 束 で あ り ， 基 本 的 に は 透 過 型 電 子 顕 微 鏡( TEM )試料を得るためのイオン Milling 装置を転用している．Miwa と Tanaka は2004年，透過型電子顕微鏡用試料を保持する圧延積層した Cu の壁面に図 1 の Ar イオン照射を5 kV で600秒行ったところ図に示す突起体が生成した(9)．

照射対象は高純度 Cu であり今まで唱えられてきた Seed が東北大学教授多元物質科学研究所(〒9808577 仙台市青葉区片平 211)
Nano/Micromaterial Grown in the Excited Reaction Field of keV Ion Irradiation; ShunIchiro Tanaka(Tohoku University, Sendai)
Keywords: excited reaction fields, Ar ion irradiation, bottomup growth, microprotrusion, nanomaterials
2014年10月 2 日受理[doi:10.2320/materia.53.516]

小特集だけでなく，突起体の生成まで誘起した．突起体は TEM 象が起こる．CuO 系状態図から375°C以上の加熱で CuO がEDS 解析により純 Cu である．強加工した Cu 圧延板への照生成するが図のような針状のウィスカーである． Ar 照射射でも同様の突起体が成長するが，焼鈍材では生成しにくをすると CuO を核として図の円錐状突起が照射方向に伸い．また基板の加熱は必要なく照射条件によっては数十度のびていく(12) ．いわば CuO ウィスカーが Seed となって核生上昇はある．

成・成長していく様式となり，酸化なしの図 2 より先鋭で.

しており成長方向は〈110〉である(13)．

ある．微小角入射 X 線回折により Cu2O であることが判明

Ar イオン照射により生成した Cu2O ナノ・マイ
クロ突起体

Ar イ オ ン 照 射 の 励 起 反 応 場 で 成 長 す る 構 造 体 の 特 徴は(12)，図，からCu を酸化してから Ar イオン照射した場合には特異な現 Ar イオン照射条件で突起体形状，高さ，直径，数密度な◯どが自由に制御できる．
 成長方向は Ar イオン源である．
◯.

Ar イオン照射による突起体成長機構

Ar イオン照射で創成される Cu2O 突起体の成長様式を図46 で精査した結果，成長機構を図のように推定することができる．
更に他の金属への Ar イオン照射結果を総合すると次のような結論に至る．

図3

圧延積層した Cu 板を 375 °C10 分酸化したときに形成される CuO ウィスカー(12)．

図4

Cu を酸化して得られた図 3 の CuO ウィスカーに Ar イオン 9 kV ， 20 分照射したときに成長する Cu2O 円錐状突起体(12)．

図6




核生成―Seed が存在する場合 CuO ウィスカーな

図5

Cu2O 円錐状突起体の高さおよび底面直径の Ar
イオン照射角度依存性(12) ． Cu を酸化後， Ar イオンを 9 kV, 20分照射．

Ar イオン照射を紙面上方20, 60, 90度から行ったときに成長する Cu2O 円錐状突起体を基板に90度方向から観察した図(12)．Ar イオン源方向に成長する円錐状突起体が確認できる．

ま て り あ 第53巻 第11号(2014)
Materia Japan

どが核生成点となる． Seed がない場合圧延などで蓄積さオン源と引き合うというモデルが説明しやすい．

れた歪の解放と直接関係することが筆者の応力テンソル変化

.

実測で明らかになっている．


おわりに成長支配因子―keV 級 Ar イオンでスパッタされた表面原子が表面拡散する過程が支配的と考えられる．主要金keV 級のイオン照射による励起反応場を積極的に使って属のスパッタ効率を Yamamura の式(14)に従って計算した例

ナノ・マイクロ突起状構造体を創成する試みを主として Cuを図に示す．表面から原子が離脱するときの閾値エネルギ系での事例を紹介してきた．励起反応場で形成された突起状ーが大きく関係し， keV 領域でのスパッタ率は Zn ＞ Ag ＞

構造体は形状や非平衡相由来の様々な特異的物理・化学・光

Pb ＞ Au ＞ Cu ＞ Pd ＞ Pt ＞… となる．表面拡散の活性化エネ

学的特性を示すことが期待され，それに基づく応用展開も拡

ルギーは体拡散の活性化エネルギーの 50 と考えられ，物大していくであろう．希少資源代替や新規デバイスへの適用性表(15) からスパッタ閾値と相関付けると図のようにな可能性が見えたものもあり，産業界での活用を期待したい．

り，両者には直線関係が認められる．図中丸印は Ar イオン

今後の課題は，3 次元形状の創りこみ，大面積化，大気中イ照射で何らかの突起体が成長した金属である．


雰囲気との反応―突起体が成長する間に残留ガス原子と反応する場合，化合物を形成する． Cu 原子の場合酸素と結合して Cu2O となる．
イオン源への配向―突起先端での charge up がイ

図9

図7

図8




Cu 酸化後に Ar イオン照射したときの Cu2O 突起体成長機構のモデル図(12)．

Ar イオンが照射されたときのスパッタ閾値エネルギーと元素の表面拡散活性化エネルギーの相関．両者には直線関係が認められる．図中丸印
は Ar イオン照射で突起構造体が成長した金属である．

Ar イオンが照射されたときの元素のスパッタ率．加速電圧がそのまま照射エネルギーとなると仮定したときkeV 級 Ar イオン照射領域を灰色で示してある．

小特集

オン照射によるインプロセス化，耐久性などが山積しており，産官学の連携が必要と考える．
本稿で紹介した研究には，佃諭志助教，名古屋工業大学大学院生三輪紘敬氏，三木善揮氏，卒研生小川秀明氏，岩沙好実氏，東北大学大学院生田中宏幸氏，小田省吾氏，生天目美帆さん，千葉雅樹氏，阿部龍太郎氏，太齋貴文氏，沼澤昴志氏が協力してくれました．ここに感謝します．

文献( 1 ) 田中俊一郎金属，83(2014), 853858.
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( 8 ) M. Tanemura, T. Okita, H. Yamauchi, S. Tanemura and R.
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(15) 金属データブック日本金属学会編，丸善，(1984)．
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1980 年 3 月

東北大学大学院工学研究科金属材料工学専攻博士課程修了，工学博士
株 (現株 東芝)
1980年 東京芝浦電気
1993年 新技術事業団(現科学技術振興機構)ERATO「田中固体融合プロジェクト」総括責任者
1999年 東京大学大学院工学系研究科客員教授
2002年 名古屋工業大学工学部教授
2005年 7 月から現職
1999年 日本金属学会功績賞，2000年 井上学術賞，田中俊一郎
2012 年 日本金属学会学術貢献賞， 2014 年
文部科学大臣表彰科学技術賞研究部門
専門分野界面制御工学，材料界面機能学，局所応力・歪計測学◎セラミックス・金属接合技術開発，固体融合素過程の科学，電子線・イオ
ン励起反応場でのナノ・マイクロ構造体創成研究，微小域応力テンソル実測研究などに従事．

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