イオン誘起2次電子による準表面層の原子・電子状態の解析

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作成： 1998/09/28 工藤　博データ番号　　　：040136 イオン誘起2次電子による準表面層の原子・電子状態の解析目的　　　　　　：結晶性固体における高速イオン誘起2次電子の生成と放出および準表面層(ナノメータ深さの表面層)における原子・電子状態解析への応用放射線の種別　　：陽子,軽イオン,重イオン放射線源　　　　：イオン注入装置(400kV)、イオン加速器(3MV)、タンデム型イオン加速器(3MV, 12MV) フルエンス（率）：10¹¹-10¹⁵ions/cm²(ビーム電流　1-30nA) 利用施設名　　　：日本原子力研究所TIARA施設、筑波大学、Goethe-Universitat (Frankfurt, Germany)、その他照射条件　　　　：超高真空中応用分野　　　　：ナノメータ表面層の原子・電子構造解析、高速重イオンの固体内荷電状態の研究、低照射量イオンビーム固体材料解析法の開発研究概要　　　　　　：　高速イオンを入射させた結晶試料表面から放出される2次電子のうち、イオンとの2体衝突によって生成される反跳電子を固体表面層の解析に利用できる。イオンの速度と測定2次電子エネルギーを適切に選べば、試料原子の特定の内殻電子に対するシャドーイング効果が観測される。この方法により、結晶格子内の原子核位置を検出対象とする従来のイオン散乱分析とは質的に異なった原子・電子レベルでの構造情報が得られる。詳細説明　　　　：　高速イオン照射によって固体表面から放出される2次電子の連続エネルギースペクトルにおいて、ロスピークエネルギー(イオンと同速度の電子の運動エネルギー)以上のエネルギー領域の2次電子は、イオンと固体内電子との2体衝突による寄与が支配的である。例えば、MeVエネルギー領域の等速イオン(原子番号Z)に誘起されたkeV領域の放出電子スペクトル強度は2体衝突過程特有のZ²依存性を示す。　一連の2次電子計測の際、電子は入射イオンビームに対して後方180゜付近で測定されるために、スペクトル強度は試料表面の幾何学的方位に依存しない特徴がある。これは、スペクトル強度に大きく寄与している電子が表面領域を直線的に通過して脱出することに起因している。さらに180゜測定では試料を傾けても、電子分析器の入射軸が常に試料表面上のビーム入射位置を通るので収量が変化せず、したがって信頼性の高いデータが得られる。　単結晶試料を用いた場合、チャネリング入射条件で測定される電子収量は、結晶格子内における電子の空間分布を反映する(内殻電子の場合は同時に運動量分布が反映される)。このとき2体衝突電子を計測すれば、イオンビームの原子列による一回散乱過程(シャドーイング効果)を観測でき、さらに結晶内価電子が選択的に反跳されるために、価電子の空間分布に対する感度が増加する。　このような利点を生かし、イオンが固体表面に入射して電離および電子捕獲を行う際の初期非平衡荷電状態が、MeV/u領域のHからClまで(原子番号1-17)の各種イオンについて観測されている。なお、連続エネルギースペクトル収量はイオンの入射方向の結晶方位のみに依存し、測定方向の結晶方位には依存しないことが実験で示されており、このことが解析の単純化を可能にしている。図1　 Energy spectra of secondary electrons induced by 2 MeV H⁺ under Ni＜111＞ channeling and random incidence conditions, measured at 180゜. The spectrometer's energy acceptance(⊿E/E=10%) is shown for an electron energy of 4 keV. E_B indicates the binary-peak energy. The inset shows the RBS spectra measured with at a backward angle of 145゜. （原論文2より引用。　Reproduced from Japan. J. Appl. Phys., vol.35 (1996) L1538-L1541, with permission from the publication manager of Japn. J. Appl. Phys. ）　典型的な測定例として、図１に2MeV H⁺誘起によるNi単結晶からの放出電子スペクトルを、<111>チャンネリング入射条件及び非チャンネリング(Random)入射条件で測定した結果を示す。ここで、E_B=4.36 keVは静止電子が2 MeV H⁺との正面衝突によって受け取る最大運動エネルギーである。これにより高エネルギー側の電子収量は軌道速度を持つNiの内殻電子(この場合、主にL及びM軌道電子)がH⁺によって反跳されたものであり、当然シャドーイング効果を敏感に反映する。　従来のイオン後方散乱分析が表面領域の原子核の位置情報を得るために用いられるのに対し、本方法は結晶電子の空間分布および運動量分布に関する知見を与えるので、両者は相補的な関係にあると考えられる。結晶ターゲットに特有な2次電子の生成・放出現象の詳細を理解するために、すでに0.1-10MeV/uにわたる広範囲のイオン速度領域における実験が行われた。　固体に入射した高速イオンは　Electronic stopping(電子励起)および　Nuclear stopping(原子反跳)により運動エネルギーを失う。金属や半導体におけるイオン照射損傷が主に後者に起因するのに対し、絶縁体では電子励起によっても格子原子が変位するので上記2つのエネルギー損失過程のいずれもが照射損傷を誘起する。ところで、MeV軽イオンでは　(Nuclear stopping power)/(Electronic stopping power)の値は1～0.1%であるため、金属や半導体に対して非破壊と見なされる高速イオンビームであっても、絶縁体に対しては最大10²～10³倍の密度の損傷欠陥を形成する可能性がある。これまで金属や半導体を対象としたイオンビーム構造解析を照射損傷を受けやすい絶縁体に適用する場合、従来よりも約3桁弱いpA領域のイオンビームを用いなければならないであろう。これは通常のイオン後方散乱法においては非実用的なビーム条件である。　しかし、このような弱ビーム条件においても、生成断面積の大きい2次電子を効率よく計測すれば構造解析は可能であるとの見通しが得られている。これまで非破壊解析が困難であった物質、例えば絶縁体(あるいは強誘電体)薄膜のイオンビーム解析を目的として、広受容角の円筒鏡型電子アナライザーを試作し、イオン誘起2次電子を用いる低照射量イオンビーム解析が試みられている図2　 Shadowing pattern around Ge＜111＞ for an angular range of 2゜× 2゜, measured with 2.0-4.1 keV electron induced by 20 MeV O⁴⁺ collimated with a 25-μm-diameter aperture. The measurement time is 15 min under the beam current of ～7pA. For each of the 21×21 tilt angles, the beam dose is 4.5×10¹² O⁴⁺/cm² for a counting time of ～2s.（原論文5より引用。　Reproduced from Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., vol.B142 (1998) 402-408, H.Kudo, K.Takada, K.Narumi, S.Yamamoto, H.Naramoto, S.Seki,: Feasibility of a cylindrical mirror electron analyzer for structural analysis of crystalline materials using weak ion beams, Figure 4 (Data source 5, pp.406), Copyright (1988), with permission from Elsevier Science, Oxford, England.）　測定例として、Ge単結晶への酸素イオン入射角度を走査し、放出された2体衝突電子をこのアナライザーで測定して得られた<111>シャドーイングパターンを図2に示す。この場合、ビーム電流は7pAであり測定時間は20分程度である。これは通常のイオンビーム解析における照射量の1%程度にしか相当しない。　2体衝突電子のみならず全2次電子収量を固体構造研究に用いることも試みられている。実際、高温超伝導体の臨界温度近傍で全2次電子収量が顕著に変化することをドイツのグループが観測している。コメント　　　　：　従来、オージェ分析に代表されるピーク検出型の電子分光においては、連続エネルギースペクトルは単にバックグラウンドとみなされ、固体材料解析あるいはイオン・固体表面相互作用研究へ応用された例は見当たらなかった。この一連の文献では、電子励起断面積の大きい高速イオンを利用し、2体衝突過程による2次電子収量から、固体内電子の空間分布あるいは軌道運動量分布の情報を得る解析技術の確立を目指している。その際、イオンチャネリングの初期段階であるシャドーイング効果を有効に利用している。　今後、実験データの蓄積およびそのデータベース化により固体材料開発の基盤技術として発展することが望まれる。原論文１ Data source 1： High-energy shadowing effect and its application to atomic and solid state physics H.Kudo, K.Shima, T.Ishihara, H.Takeshita, Y.Aoki, S.Yamamoto, and H.Naramoto Institute of Applied Physics, University of Tsukuba, Ibaraki 305, Japan. Tandem Accelerator Center, University of Tsukuba, Ibaraki 305, Japan. Japan Atomic Energy Research Institute, Takasaki 370-12 Japan Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B90 (1994) 533-536 原論文２ Data source 2： Analysis of misoriented crystal structure by ion channeling observed using ion-induced secondary electrons H.Kudo, A.Sakamoto, S.Yamamoto, Y.Aoki, H.Naramoto, T.Inoue, M.Satoh, Y.Yamamoto, K.Umezawa, and S.Seki Institute of Applied Physics, University of Tsukuba, Ibaraki 305, Japan. Japan Atomic Energy Research Institute, Takasaki 370-12 Japan. Department of Electronic Engineering, Iwaki Meisei University, Iwaki, Fukushima 970, Japan. Research Institute of Ion Beam Technology, Hosei University, Koganei, Tokyo 184, Japan. Department of Electronic Informatics, Hosei University, Koganei, Tokyo 184, Japan. Department of Physics, University of Osaka Prefecture, Sakai, Osaka 593, Japan. SSL Tsukuba Ltd., Tsukuba, Ibaraki 305, Japan Japanese Journal of Applied Physics, vol. 35 (1996) L1538-L1541 原論文３ Data source 3： Charge states of fast ions in glancing collisions with aligned atoms in Si crystals H.Kudo, T.Fukusho, T.Ishihara, S.Yamamoto, and H.Naramoto Institute of Applied Physics, University of Tsukuba, Ibaraki 305, Japan. Tandem Accelerator Center, University of Tsukuba, Ibaraki 305, Japan. Japan Atomic Energy Research Institute, Takasaki 370-12 Japan. SSL Tsukuba Ltd. Ibaraki 305 Japan Physical Review, A50 (1998) 4049-4056 原論文４ Data source 4： Charge states of heavy ions in glancing collisions with aligned atoms in single crystals H.Kudo, A.Tanabe, T.Ishihara, S.Seki, Y.Aoki, S.Yamamoto, P.Goppelt-Langer, H.Takeshita, H.Naramoto Institute of Applied Physics, University of Tsukuba, Ibaraki 305, Japan. Tandem Accelerator Center, University of Tsukuba, Ibaraki 305, Japan. SSL Tsukuba Ltd. Ibaraki 305 Japan. Japan Atomic Energy Research Institute, Takasaki 370-12 Japan. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B115 (1996) 125-132 原論文５ Data source 5： Feasibility of a cylindrical mirror electron analyzer for structural analysis of crystalline materials using weak ion beams H.Kudo, K.Takada, K.Narumi, S.Yamamoto, H.Naramoto, S.Seki Institute of Applied Physics, University of Tsukuba, Ibaraki 305, Japan. Tandem Accelerator Center, University of Tsukuba, Ibaraki 305, Japan. Japan Atomic Energy Research Institute, Takasaki 370-12 Japan. SSL Tsukuba Ltd. Ibaraki 305 Japan Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B142 (1998) 402-408 原論文６ Data source 6： Ion-induced electron-emission study of high-Tc superconductors and phase transitions H.Rothard, M.Schosnig, K.Kroneberger, and K.-O.Groeneveld Institut fur Kernphysik der J. W. Goethe-Universitat, August-Euler-Strasse 6, D-6000 Frankfult-am-Main 90, Federal Republic of Germany Physical Review, B, 46 (1992) 11847-11853 参考資料１ Reference 1： Ion-induced electron emission from crystal targets with noncrystalline overlayers A.Sakamoto, H.Kudo, T.Ishihara, S.Seki, K.Sumitomo Institute of Applied Physics, University of Tsukuba, Ibaraki 305, Japan. Tandem Accelerator Center, University of Tsukuba, Ibaraki 305, Japan. SSL Tsukuba Ltd. Ibaraki 305 Japan, NTT Basic Research Laboratories, Atsugi, Kanagawa 243-01, Japan 参考資料２ Reference 2： Isotropy of ion-induced electron emission from crystal targets bombarded with MeV ions H.Kudo, S.Yamamoto, K.Narumi, Y.Aoki, H.Naramoto Institute of Applied Physics, University of Tsukuba, Ibaraki 305, Japan. Japan Atomic Energy Research Institute, Takasaki 370-12 Japan. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B132 (1997) 41-44 キーワード：イオンビーム、イオン誘起2次電子放出、イオンチャネリング、シャドーイング ion beam, ion induced secondary electron emission, ion channeling, shadowing 分類コード：040501, 040502
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