2018 Fiscal Year Research-status Report
Synthesis of endohedral carbon nano-clusters by ion-multi-scattering on curved carbon thin film surfaces
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17K05602
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| Research Institution | Toyo University |
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Principal Investigator |
本橋 健次 東洋大学, 理工学部, 教授 (50251583)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 多価イオン / ガイド効果 / チャージアップ / 円筒面 / ガラス / チャネル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子内包カーボンクラスターは新しい機能性材料として様々な分野で注目されているが，単離・精製に多段階のプロセスが必要であるという技術的な課題がある。本研究は，炭素系薄膜曲面上でのイオン多重散乱により，カーボンクラスターの原子内包過程と単離・精製プロセスを実現できるかどうかを検証することを目的としている。
【１．具体的内容】30年度は，ガラス円筒面チャネル内での多価イオンの散乱過程を検証した。これは，カーボンクラスターに内包させる原子を多価イオンの状態で炭素系薄膜曲面上に入射させるための基礎実験である。内包原子を多価イオンの状態で入射させることにより，炭素薄膜の効率的なクラスタリングを誘導することが期待できるためである。円筒面チャネルは，29年度と同様，光学用凸レンズと凹レンズを隙間を挟んで対向した構造である。この円筒面チャネルに10keV・4価のアルゴンイオンビームを入射し，出射したイオンのその場質量分析を行った。その結果，円筒面ガラスチャネルを出射したイオンの質量電荷比と速度は入射時のそれらとほぼ等しく，したがって運動エネルギーを保存していることが分かった。さらに，ガラス円筒面チャネルを入射イオンビーム軸に対して-3°から+3°まで傾けても通り抜けることが分かった。これらの結果から，アルゴン多価イオンはガラス表面での帯電現象により，表面と衝突することなく出口へと誘導（ガイド）されたことが分かった。
【２．意義】アルゴンイオンビームがガラス円筒面チャネルでガイドされるという結果は新しい知見でありイオンビームの新技術開発という意味では大きな意義があるが，本研究に不可欠な多重散乱を妨げる効果という意味では予期せぬ障害である。
【３．重要性】本研究の目的とは異なるが，電磁場を用いないイオンビームの偏向・集束を可能にする新技術開発としては応用範囲が広く重要な意義があると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では，炭素系薄膜を蒸着するための曲面として，表面が滑らかで蒸着に適したガラス円筒面を採用した。30年度は，その円筒凸面と凹面を隙間を挟んで対向させたイオン流路「ガラス円筒面チャネル」に多価イオンビームを入射した際の，イオン－表面散乱過程を調査するための基礎的な実験を行った。その際，今後円筒面に蒸着する予定の炭素系薄膜を効率的にクラスタリングさせるために4価の多価イオンを入射した。その結果，当初の予想より強い「イオンビームガイド効果」が発現し，イオンがほとんど表面と衝突せずにガラス円筒面チャネルを通り抜けることが分かった。これは当初想定していた結果とは異なるが，電磁場を使用せず，20mm角の立方体に収まるイオン流路によって，多価イオンビームをエネルギーを保持したまま±3°以内の任意の角度に曲げたり，線状に集束することができるという点では画期的な成果である。しかしながら，このようなガラス曲面上に炭素系薄膜を蒸着した際，多価イオンが入射してもチャージアップにより次第に衝突しなくなることが予想されるため，クラスタリングによる原子内包が起こらなくなる可能性がある。チャージアップを回避しながら，多価イオンと炭素系薄膜表面との多重散乱を効率よく誘導するためには，ガラス光学レンズに金属薄膜を蒸着するか，金属反射鏡を用いると共に，金属膜を接地電位またはマイナス電位にする必要がある。このように，多価イオンビームと炭素系薄膜曲面との効率のよい多重散乱を引き起こすため，装置の改良が必要になったことが遅れの主な原因である。
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| Strategy for Future Research Activity |
７で述べた理由により，研究が当初計画より遅れている。そのため，最終年度である2019年度は当初計画を変更する方針である。具体的には，イオン種をアルゴン多価イオンに限定すると共に，標的表面を，チタン蒸着面上にペンタセン薄膜を形成したガラス円筒面チャネルに限定する。そして，このペンタセン円筒面チャンネルの表面電位を接地または負電位にバイアスできるよう装置を改良する。これにより，アルゴン多価イオンとペンタセン薄膜との効率的な多重散乱を誘導する。生成されたクラスターイオンのその場分析は，電子衝撃型多価イオン源を用いたこれまで通りの方法で行う。一方，生成されたクラスターイオンを堆積した基板表面の元素分析には，コールドカソードイオン銃とX線光電子分光(XPS)及び飛行時間型質量分析(TOF-MS)により行う。研究成果は国際会議1件と国内学会2件で発表することを予定している。また，3年間の研究成果をまとめた学術論文を1件発表する予定である。
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| Causes of Carryover |
2019年3月の日本物理学会（九州大学伊都キャンパス）での研究成果発表のための旅費を使用しなかったため。（校務により出張できなかった。）
物品費（真空部品または光学部品）として使用予定。
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