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作成： 1998/09/11 川面 澄
データ番号 ：040147
低エネルギーイオン散乱分光法(ISS)を用いた表面・薄膜の解析
目的 ：イオンビーム解析、表面・薄膜の組成・構造解析
放射線の種別 ：軽イオン,重イオン
放射線源 ：イオン源 (500eV, He+, 1.0keV Ne+)
フルエンス（率）：1-2μA
利用施設名 ：無機材質研究所、カリフォルニア大学化学科
照射条件 ：超高真空下、室温、低温(90K)
応用分野 ：表面科学、触媒科学
概要 ：
イオンビーム解析法の一つとして、また表面・薄膜の組成および構造解析法の一つとして、広く用いられているイオン散乱分光法について簡単に説明し、さらに、実際の応用例を挙げて、その特徴、利点、及び限界などを示す。
詳細説明 ：
本来、イオン散乱分光は、用いるイオンの運動エネルギーによって、低速イオン散乱分光法、中速イオン散乱分光法、高速イオン散乱分光法(別名ラザフォード後方散乱分光法)に大別される。しかしながら、低速イオン散乱分光法は習慣的に、単にイオン散乱分光法と呼ばれ、ISSと略記される。イオン散乱分光法(ISS)では運動エネルギーが数100eVないしは数keVの低速イオンビームを固体試料表面に入射し、ある方向に散乱されてくるイオンの運動エネルギースペクトルを測定する。ISSは表面の組成分析や構造解析に幅広く適用されている手法である。
低速イオンの散乱は古典力学的な2原子衝突で記述される。したがって、入射イオンの質量m、エネルギーE0と標的原子の質量Mおよび散乱角Θが決まれば、散乱後のイオンのエネルギーEは式(1)によって一義的に与えられる。
E=E0{m/(m+M)}2{cosΘ+(M2/m2-sin2Θ)1/2)2. (1)
速イオンは表面からあまり深く入り込めないので、散乱は表面のごく近傍で行われる。このために、低速イオン散乱法は表面1-2原子層に最も敏感な組成分析法となっている。また、標的原子の背後に入射イオンが進入できない影が出来ること(シャドーイング効果)を用いて表面の原子配列を決めることも出来る。
ISSによる表面・薄膜の解析には、主に希ガスイオンかアルカリ金属イオンが用いられる。希ガスイオンを用いた場合、ISSは固体表面最外層にきわめて敏感であり、化合物表面の組成分析や構造解析、表面の吸着、反応過程、あるいは表面偏析の研究に応用されその有用性が証明されている。これは希ガスイオンが高い確率で電子を捕獲するため、固体内部から散乱されたイオンはほとんど完全に中性化され、表面最外層から散乱されたイオンのみが中性化を免れて検出される。これが、ISSが固体表面最外層に極めて敏感な解析手法である最大の理由である。
次に、具体的に、表面吸着の実験を他の方法と比較した例を示す。図1は90KでNi(100)表面に水素原子を同量吸着させた試料を、2種類の方法で水素原子の吸着量を調べた結果である。
図1 H2 TPD (left) and ISS (right) data for the uptake of hydrogen adsorbed on Ni(100) at 90 K. The left inset shows how the coverage of hydrogen atoms varies with exposure. The right inset shows how the normalized Ni ISS signal varies in a linear fashion with hydrogen coverage for most of the θH range. The TPD signals were calibrated by assuming that a 23.0 L dose of H2 leads to surface saturation (θH = 1.0 ML). （原論文1より引用。 Reproduced from Surface Science, vol.385 (1997) 294-309, N.R.Gleason, F.Zaera: The use of low-energy ion scattering spectroscopy for the quantitative determination of adsorption sites in the surface chemistry studies, Figure 1 (Data source 1, pp.298), Copyright (1997), with permission from Elsevier Science, Oxford, England. ）
図1において、左側の図は昇温離脱法を用いた結果であり、この実験では、特に試料温度を精密に制御したTemperature-programmed desorption (TPD)法が用いられている。TPDの結果から23.0Lの露出量で水素原子の表面吸着が飽和することが見出された。この時の飽和被覆率θHが1.0MLと定義された。一方、図1の右側の図に示したISSの結果では、Ni原子からの散乱は、水素原子の吸着量の増加とともに最初直線的に減少し、予想された結果と一致する。しかしながら水素原子の吸着量が増加し、被覆率が1.0MLになっても、まだ最初の35%の信号量がある。
さらに、酸素原子の室温での吸着をISSとX線光電子分光(XPS)で比較した結果を図2に示す。
図2 ISS (left) and O 1s XPS (right) data for the uptake of oxygen on Ni(100) at 300 K. The insets show how the normalized Ni and O ISS signals (left) and the oxygen coverage (right) vary with exposure. Note the rapid decrease in Ni signal and the corresponding increase in O signal in the ISS traces for low initial exposures of oxygen. The oxygen absolute coverage was calibrated by composition of the XPS signals from a CO standard. （原論文1より引用。 Reproduced from Surface Science, vol.385 (1997) 294-309, N.R.Gleason, F.Zaera: The use of low-energy ion scattering spectroscopy for the quantitative determination of adsorption sites in the surface chemistry studies , Figure 2 (Data source 1, pp.299), Copyright (1997), with permission from Elsevier Science, Oxford, England.）
この場合でも、吸着酸素原子量が多くなると、ISSの結果とXPSの結果は異なる相関を示めした。このように、どちらの実験結果においても、表面での吸着原子量が少ないときには、どの方法の間にも良い相関があるが、吸着原子の量が多くなると、表面での吸着原子配列がISSの結果に影響を与えていることがわかる。
コメント ：
低エネルギーイオン散乱を用いた表面・薄膜の組成・構造解析の手法はほぼ完成の域にあるといえる。しかしながら、固体最外層の解析に有利な点であるイオンの中性化のためには、実験で観測される散乱イオン強度は計算値とかけ離れる場合がしばしばあり、定量的な解析の妨げになることがある。イオンと中性粒子を同時に検出する方法が開発されたが、この場合にはISSの表面敏感性が犠牲となる。さらに、低エネルギーイオンは固体との相互作用が強いため、多重散乱の影響を無視できない。これが深さ方向の分解能を悪くする。
原論文１ Data source 1：
The use of low-energy ion scattering spectroscopy for the quantitative determination of adsorption sites in the surface chemistry studies
N.R.Gleason, F.Zaera
Department of Chemistry, University of California, Riverside, CA 92521, USA Surface Science, vol. 385 (1997) 294-309.
原論文２ Data source 2：
Ion scattering spectroscopy
M.P.Murrell
University of Cambridge, Department of Engineering, Trumpington Street, Cambrudge, UK
Vacuum, Vol. 45, No. 6/7 (1994) 773-781.
原論文３ Data source 3：
低エネルギーイオン散乱スペクトロメトリ
左右田龍太郎
無機材質研究所、305茨城県つくば市並木1-1
Radioisotopes, vol.44 (1995) 344-348.
キーワード：低エネルギーイオン散乱分光法、イオン散乱分光、低エネルギーイオン、表面、薄膜、吸着、イオンビーム解析
low-energy ion scattering spectroscopy, ion scattering spectroscopy, low energy ion, surface, thin film, adsorption, ion beam analysis
分類コード：040402, 040501, 010203
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