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表面超敏感型同軸型直衝突イオン散乱分光法の開拓と単原子層薄膜の構造解析への応用

Research Project

Project/Area Number 23K26544
Project/Area Number (Other) 23H01851 (2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023)
Section一般
Review Section Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

片山 光浩  大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (70185817)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田畑 博史  大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (00462705)
久保 理  岐阜大学, 工学部, 教授 (70370301)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000)
Fiscal Year 2026: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
Keywords同軸型直衝突イオン散乱分光法 / 表面敏感性低 / 低エネルギーアルカリイオン / 二体弾性衝突モデル / 単原子層薄膜 / 表面敏感性
Outline of Research at the Start

研究代表者らが長年にわたって研究開発を進めてきた同軸型直衝突イオン散乱分光法(CAICISS)は、入射イオンのエネルギーを 1 keV 以下に
低くすることで、シャドーコーンを大きくすることができ、表面敏感性が高まり、表面最外の単原子層のみを構造解析しうる手法に発展する可能性をもつ。
そこで、本研究では、低エネルギーのアルカリイオンビームをプローブとし、二体弾性衝突モデルが適用可能な範囲で下限の入射エネルギー領域を見い出すことにより、表面超敏感型のCAICISSを開拓し、これを用いて、種々の単原子層薄膜の構造を解明することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、低エネルギーアルカリイオンビームを用いた表面超敏感型同軸型直衝突イオン散乱分光(CAICISS)の装置開発の前段階として、テスト試料としてV2O3を取り上げ、希ガスイオンである 2 keV の He+ イオンをプローブとして表面構造解析を行った。V2O3 は遷移金属酸化物の一種であり、約160Kという低温で金属絶縁体転移を起こす。転移時の構造変化により抵抗値や光透過率などの特性が変化し二次電池や低温領域でのFETへの応用が期待されている。本研究では、ミストCVD法により作製した V2O3 薄膜の成長方位を調べ、その成長方位に対して CAICISS法を用いて V2O3 薄膜の終端構造を明らかにすることを目的とした。まず、XRD測定を行い V2O3 薄膜の面方位を測定したところ、(006)面由来のピークがみられ、これから (001) 面が成長しやすいことがわかった。続いて、CAICISS 法を適用し、V 散乱イオン強度の方位角依存性とシミュレーションの比較から、V2O3(001) の表面終端構造は O 終端であることを明らかにした。
次に、アルカリイオン源(特注,Li+,エネルギー:10~2000 eV, ビーム電流:100 nA)を導入した。イオン源の動作距離は20 cm(ビーム径:1 mm)と短いため、イオン源の出口から 80 cm 離れた試料の中心に 100~2000 eVのLi+イオンビームを到達させるためには、イオンビームの集束・平行化が可能なイオン光学系が必要となる。そこで、空間電荷効果を含めたイオンの軌道計算に基いて、レンズを設計・製作した。これにより、ビーム径 約 1 mm、イオン連続電流 約 10 nA の平行性を保ったイオンビームが試料に入射されることを実現した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

アルカリイオン源とレンズ系の動作確認はしたものの、当初の本年度研究計画であった既知の表面構造に対して Li+ イオンをプローブとした CAICISS 測定を行い入射イオンエネルギーを 1 keV から徐々に低くしたとき遮蔽クーロンポテンシャルによる二体弾性衝突モデルが破綻するエネルギー領域を求めること、ならびに表面超敏感型CAICISSがもつ表面最外単原子層の原子配置の精密解析に適した特徴を実証する実験が未だおこなわれていないため。

Strategy for Future Research Activity

本年度で解明した既知の表面構造である V2O3(001) O 終端表面に対して、Li+ イオンをプローブとした同軸型直衝突イオン散乱分光(CAICISS)測定を行い入射イオンエネルギーを 1 keV から徐々に低くしたとき遮蔽クーロンポテンシャルによる二体弾性衝突モデルが破綻するエネルギー領域を求める。具体的には、散乱イオンの飛行時間スペクトル、V 散乱イオン強度の方位角依存性と遮蔽クーロンポテンシャルを用いた構造モデルシミュレーションの比較から、遮蔽クーンポテンシャルによる二体弾性衝突モデルを維持しつつ表面敏感性を保つ下限の入射イオンエネルギー領域を求める。併せて、本実験により、表面超敏感型CAICISSがもつ表面最外単原子層の原子配置( V2O3(001) 表面が O 終端構造であること)の精密解析に適した特徴を実証する。

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2024 2023

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Temperature dependence of hole mobility in methylated germanane field-effect transistor2024

    • Author(s)
      Hiraoka Yuuki、Suzuki Yudai、Hachiya Kouhei、Nakayama Atsuki、Tabata Hiroshi、Katayama Mitsuhiro、Kubo Osamu
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 63 Issue: 3 Pages: 030905-030905

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad30a2

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Photocurrents of methylated germanane induced by various wavelength lights2023

    • Author(s)
      K. Hachiya, Y. Hiraoka, O. Kubo, H. Tabata, and M. Katayama
    • Organizer
      36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC) 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Selective detection of NH3 gas using single-walled carbon nanotubes decorated with phenanthroline-based nanocalipers2023

    • Author(s)
      K. Tanaka, K. Hiraoka, X. Fu, H. Tabata, O. Maida, N. Komatsu, and M. Katayama
    • Organizer
      36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference(MNC) 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Photoactivated response to NH3 of gas sensor based on Co-porphyrin modified MoS22023

    • Author(s)
      K. Fujii, S. Nishimura, H. Tabata, O. Kubo, O. Maida, and M. Katayama
    • Organizer
      36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC) 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] μLED/MoS2 一体型ガスセンサを用いた低消費電力NO2 センシング2023

    • Author(s)
      田畑博史、市川修平、藤井耕太郎、西村周、石原聡啓、藤原康文、片山光浩
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Coポルフィリン修飾MoS2センサのNH3に対する光活性化応答特性2023

    • Author(s)
      西村 周、藤井 耕太郎、田畑 博史、久保 理、毎田 修、片山 光浩
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] フェナントロリンナノキャリパー修飾単層カーボンナノチューブを用いたガス種選択検知2023

    • Author(s)
      平岡健、田中皓大、Xinyi Fu、田畑博史、毎田修、小松直樹、片山光浩
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] メチル化ゲルマナン薄膜トランジスタの光電流特性評価2023

    • Author(s)
      平岡佑貴、蜂谷航平、久保理、田畑博史、片山光浩
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report

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Published: 2023-04-18   Modified: 2024-12-25  

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