作成： 2000/01/20 吉田 豊
データ番号 ：040209
摂動角相関分光法による金属中の点欠陥の研究
目的 ：金属中の点欠陥の同定
放射線の種別 ：ガンマ線
放射線源 ：111In線源(1.85MBq)
利用施設名 ：非密封放射線源が利用可能な施設(Universitat Konstanz、Hahn-Meitner Institute Berlin)
照射条件 ：真空中低温照射(点欠陥導入のため)
応用分野 ：核物性研究、金属・半導体欠陥評価、材料極微細組織評価
概要 ：
金属中の点欠陥を原子スケールで調べるための核物性の手法として、摂動角相関法(PAC)がある。典型的なプローブ111In/111Cdを金属にドープし、電子線照射などで点欠陥を導入した後、異なる温度で熱処理すると、111In原子は異なる点欠陥をトラップする。これにより、プローブ原子の周りが立方対称からずれ、γ線の角相関スペクトルに欠陥成分が出現する。いくつかの点欠陥について、それぞれのPAC角周波数が求められている。
詳細説明 ：
金属中の点欠陥の研究は、電気抵抗測定を代表とする物性測定による研究手法、欠陥集合体の生成消滅過程から点欠陥を研究する電子顕微鏡法、陽電子寿命やメスバウア分光測定のような特定の点欠陥に敏感なプローブを利用する原子スケールの研究手法などに分類されよう。ここで述べる摂動角相関測定法(PAC)は原子核をプローブとする核物性研究法の一つで、点欠陥の種類やその離合集散過程に関する原子スケール情報が直接得られる点で金属中の点欠陥の研究に極めて有用である。
典型的なプローブ核としては111In/111Cdがあり、111Inは塩酸溶液として購入できる。これを熱拡散やイオン注入法により金属中に導入し、電子線照射や高温急冷などにより点欠陥を生成し、欠陥回復ステージで熱処理する。プローブ原子が点欠陥をトラップすれば、その周りの原子配列が変化し、この点欠陥に対する " PACスペクトル成分 " が出現する。
図1に測定原理を示す。
図1 In a PAC experiment, the precession of a nuclear spin I, induced by a local field at the site of the radioactive probe atom, modulates the probability of detecting γ1 and γ2 in coincidence with the frequency ω.（参考資料1より引用。 Reprinted, with permission of Springer-Veriag GmbH & Co. KG, from Appl. Phys., A48, 59 (1989), T.Wichert et al., Figure 1 (Data source : Refference 1, pp.61), cited from T. Wichert, E.Recknagel: Microscopic Methods in Metals, ed. by U.Gonser,, Topics in Current Physics, Vol.40 (Springer, Berlin, Heidelberg 1986) p.317.
）
111Inは電子捕獲により111Cdの励起状態が得られ、引き続いて核スピンI=5/2、寿命が121nsの中間状態を経て基底状態が得られる。この時、γ1(173keV)とγ2(247keV)のγ線が引き続いて放出されるので、このγ-γ角相関を2つの検出器で計測する。核スピンのI=5/2の中間状態は核4重極モーメントQ=0.8barnを有し、第一近接に格子欠陥が存在する場合には核位置に電場勾配が生じるので、中間状態の核スピンはラーモア才差運動する。この時、γ線は核スピンの方向に放出されるので、γ1が放出されてからγ2が放出されるまでの時間スペクトルを計測することにより、核スピン才差運動の角周波数、すなわち電場勾配の大きさに関する情報が得られる。
図2(a)には中間状態の寿命による変化を差し引いた摂動角相関スペクトルを、異なるプローブ核と点欠陥の配置に対して示す。
図2 (a) Microscopic displays of typical arrangements of impurities (full circle) and defects (open square) in a cubic lattice, as characterized by electric field gradient Vzz, and the corresponding experimental spectra. (b) PAC spectra of 111In doped gold, which has been electron irradiated and annealed to temperatures TA (left). Additionally, the amplitudes of f3 of the observed modulation are given, which indicates the formation of a distinct 111In-defect complex (right). （原論文1より引用。 （財）山田科学振興財団のご承認に基づき、Proceedings of Yamada Conference V on Point Defects and Defect Interactioani (1982) pp.19-26., Figure 1及びFigure 2 (Data source 1, pp.20)から転載したものです。）
M.Deicher、E.Recknagel、TH.Wichertは111Inを1.85MBqドープしたAuを3MeVの電子線で4.2K低温照射し、その後10分の等時焼鈍実験を行った。異なる温度での熱処理後に得られたPACスペクトルを図2(b)(left)に示す。190Kまでの熱処理ではプローブ原子位置には遠方の点欠陥からの弱い電場勾配の分布(図2(a)Bに対応)があることを示す時間スペクトルが得られる。220K以上で角周波数(eQq/h) 91MHzに対応する明瞭なスペクトル変化が見出され、図2(a)Cに示されるようなこの特定の欠陥にトラップされた状態が実現していることが判る。この欠陥成分の全プローブ原子に対する割合をプロットしたのが図2(b)(right)である。この成分は欠陥の回復ステージ温度から判断して、単原子空孔にトラップされたものであることが結論された。
これまでに得られた結果を、表1にまとめる。単原子空孔、複原子空孔、さらに微小クラスター成分などの原子空孔型欠陥のみならず、格子間型欠陥も一部金属で見出されている。ここで、eQq/h は電場勾配と核4極子モーメントとの相互作用の強さで、Vzz は対角化された電場勾配テンソルの最大の成分であり、(Vxx-Vyy)/Vzz は非対称パラメータである。単結晶の実験からは結晶軸に対する電場勾配テンソルの方向を決めることができる。
表1 Point defects observed in metals by PAC experiments.(原論文1)と2)より抜粋)
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Matrix eQq/h(MHz) (Vxx-Vyy)/Vzz Vzz // to Trapped defects
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Al 16.6 0.54 - monointerstitial
66 0.41 <110> monovacancy
133 0 <111> divacancy
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Cu 19.0 1.0 - interstitial
46.8 0 <100> monointerstitial
116 0 <110> monovacancy
181 0 <100> divacancy
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Ag 82 0 <110> monovacancy
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Au 40 0 <111> planar vacancy loop
91 0 <110> monovacancy
101 0 <100> divacancy
102 0.45 - divacancy
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Nb 87 0 <111> monovacancy
105 0.65 <110> divacancy
177 0 - small cluster
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Ta 91 0 <111> monovacancy
120 0.63 - divacancy
201 0.18 - small cluster
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Mo 125 0 <111> monovacancy
155 1 - divacancy
98 0 <100> small cluster
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W 142 0 <111> monovacancy
181 1 <110> divacancy
263 0 <100> small cluster
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Zn 135 0 - substitutional
119 0.29 - monovacancy
71 < 0.08 - divacancy
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Cd 135 0 - substitutional
105 > 0.95 - monovacancy
23 < 0.10 - divacancy
126 0.64 - small cluster
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コメント ：
摂動角相関法(PAC)はプローブ原子を如何に目的の欠陥近傍に導入するか、すなわち、プローブ原子が特定の欠陥をトラップするかが実験の成否を握っている。漫然と計画された実験ではスペクトル測定結果は得られるが、欠陥の種類が数種にも及ぶと解析不可能になり、原子スケールの情報は期待できない。従って、この手法は他の欠陥研究手法と組み合わせ、できる限り単純な欠陥の種類と分布が期待される試料で実験を行うことが不可欠であろう。
原論文１ Data source 1：
PAC Study of Point Deffects in Metals
T.Wichert
Universitat Konstanz, 7750 Konstanz, Germany
in Proceedings of Yamada Conference V on Point Defects and Defect Interactioani (1982) p. 19-26.
原論文２ Data source 2：
The Study of Point Deffects in Metals by Perturbed Angular Correlation and the Mossbauer Effects
R.Sielemann
Hahn-Meitner-Institut Berlin, Glienicker Str. 100, D-1000 Berlin 39, Germany
Materials Science Forum, vol. 15-18, p. 25-50 (1987).
原論文３ Data source 3：
Contributions of Different Deffects to the Recovery Stage at 250 K in Gold
M.Deicher, E.Recknagel and Th.Wichert
Universitat Konstanz, 7750 Konstanz, Germany
Radiation Effects, vol. 54, p. 155-168 (1981).
参考資料１ Reference 1：
Indium-Deffect Complexes in Silicone Studied by Perturbed Angular Correlation Spectroscopy
T.Wichert, M,Deicher, G.Grubel, R.Keller, N.Schulz, and H.Skudlik
Fakultat fur Physik, Universitat, D-7750 Konstanz,, Fed. Rep. Germany
Applied Physics, A 48, 59-85 (1989).
参考資料２ Reference 2：
Deffect Annealing in Copper Around Stage III
T.Wichert, M.Deicher, O.Echt and E.Recknagel
Universitat Konstanz, 7750 Konstanz, Germany
Physical Review Letters, vol. 41, p. 1659-1662 (1978).
キーワード：ガンマ線、核プローブ、摂動角相関分光、原子空孔、複原子空孔、微小欠陥集合体、格子間原子、欠陥トラッピング
gammma rays, nuclear probe, Perturbed-Angular-Correlation, vacancy, divacancy, small defect clusters, interstitial atom, defect trapping
分類コード：040204, 040504, 010205