2020 Fiscal Year Research-status Report
Precise determination of vacancy defect concentration for the redefinition of the kilogram
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17K05112
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
水島 茂喜 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (60358091)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 電子スピン共鳴法 / シリコン結晶 / 原子空孔濃度 / キログラム / 精密計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
質量単位キログラムをプランク定数などの基礎物理定数によって実現することを目指した研究が注目されている。その一つが直径約94 mmのシリコン28単結晶球体の体積、モル質量、格子定数、酸化膜の厚さ、不純物濃度、原子空孔濃度を精密に計測し、キログラムを実現する方法である。
研究代表者は、シリコン28単結晶中の原子空孔濃度の計測が、高精度なキログラムの実現において重要な役割を果たすと考えている。そこで、本研究では質量単位を基礎物理定数によって定義するために、電子スピン共鳴法を利用して、シリコン28単結晶中の原子空孔濃度を高精度で決定することを目指している。
前年度までに、シリコン28単結晶試料の作製と電子スピン共鳴法による測定を実施した。シリコン28単結晶試料の作製は、試料の精密な切り出し、鏡面研磨、精密洗浄で構成される。測定により、シリコン28単結晶中の各種の原子空孔濃度が1×10^12 cm^－3未満であることを見出した。結果として、これらの原子空孔による必要な質量欠損補正量は、1 kgのシリコン28単結晶球体に対して0.4 μg未満であると推定できた。更に、シリコン28単結晶中の原子空孔濃度の計測を高精度化するため、試料の作製方法の改良を試みた。計測により、原子空孔による必要な質量欠損補正量は、1 kgのシリコン28単結晶球体に対して0.2 μg未満であると推定することができた。また、これまでの測定結果の解析と結晶内の濃度分布についてより系統的な調査を実施するための準備を行った。
測定結果の解析結果は、2020年8月に開催された国際会議 2020 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2020)で発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
シリコン28単結晶試料の作製と電子スピン共鳴法による測定を実施し、シリコン28単結晶中の原子空孔濃度の上限を決定した。本研究成果を、当該分野の専門家が参集する国際会議CPEM 2018及びCPEM 2020で発表した。また、本研究成果をまとめた研究論文を、査読付き学術誌で発表した（IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 68, no. 6, pp. 1879－1886, 2019）。さらに別の研究論文も査読付き学術誌に受理されている（DOI: 10.1109/TIM.2021.3062186）。
これらにより、本研究課題はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
シリコン28単結晶中の原子空孔濃度を更に高精度に決定するため、浮遊帯溶融法によって成長させた円柱形単結晶の中心部と周辺部における原子空孔濃度の違いを検討する。また、陽電子消滅法を用いた測定結果との違いについて検討する。
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| Causes of Carryover |
2020年度は、試料の作製と電子スピン共鳴法による計測、研究成果の発表を行う予定であった。しかし、新型コロナウイルス感染症の拡大による研究計画変更に伴い、電子スピン共鳴法による計測が実施できなかった。電子スピン共鳴法による計測と研究成果の発表を次年度に行うこととし、未使用額はその経費に充てることとしたい。
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