2018 Fiscal Year Annual Research Report
Direct observation of surface nanostructure created by swift heavy ions
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16K06963
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
石川 法人 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究主幹 (90354828)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田口 富嗣 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 東海量子ビーム応用研究センター, 上席研究員(定常) (50354832)
篠嶋 妥 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (80187137)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ナノ構造 / イオン照射 / ナノヒロック / 照射損傷 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
100MeV 以上の高速重イオンをセラミックスに照射すると、表面に10nm 程度の隆起物(ナノヒロック) が形成することが知られている。表面ナノ構造ともいえるナノヒロックの形成メカニズムの解明に向けて、様々なセラミックスについて、照射した微小試料の透過型電子顕微鏡(TEM) 観察を行ってきた。高速重イオンを照射したCeO2 の場合、球状のナノヒロックが観察された。また、CaF2 の場合、半球に近いナノヒロックが観察された。上の材料を含めて、BaF2, SrF2 の場合もナノヒロックの内部が再結晶化しており、結晶質であることが判明した。
一方、高速重イオンを照射したY3Fe5O12 の場合には、ナノヒロックが非晶質であることが確認できた。その他のセラミックスについても調べた結果、結晶質のナノヒロックが観察されるような材料と非晶質のナノヒロックが観察される材料とに大きく分類されることが分かった。前者の材料の場合には、イオンの飛跡に沿って一旦局所的に高温になり融解した領域が冷却中に再結晶化してイオントラックの寸法が結果的に小さくなったというプロセスが成り立つ。一方で後者の材料の場合には、同様に一旦局所的に高温になり融解するが、冷却中に再結晶化できずにアモルファス化(非晶質化) し、融解した部分がそのまま非晶質化したというプロセスが成り立つ。
最終年度は、上記のセラミックス以外の材料に対象を広げて、詳細な観察を継続した。その結果、上記のモデルの妥当性が強化された。また、高温液体の隆起プロセスをモデル化するために、特にY3Fe5O12のナノヒロックの寸法の電子的阻止能依存性を調べた。ナノヒロックの底面面積および高さが、共に電子的阻止能に対して線形に増加することが判明した。ナノヒロック形成プロセスにおいて、高温液体が固体化するまでの時間の長さが重要な役割をしていることが示唆された。
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