| 研究課題/領域番号 |
22K04990
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分31010:原子力工学関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
雨倉 宏 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究センター, 主席研究員 (00354358)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | イオントラック / クラスターイオン / C60 / シリコン / ダイヤモンド / 核・電子相乗効果 / 半導体 / フラーレン |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ウラン等が核分裂を起こすと、エネルギーおおよそ百MeVの核分裂片（高エネルギー重イオン）を放出し、その直線的通過経路に沿って円筒形の損傷領域（イオントラック）を形成する。半導体シリコンはイオントラックを形成しにくい材料として信じられていたが、我々は数MeVのC60分子からなるイオンビームで照射すると、容易にトラックが形成されてしまうことを発見した。本研究では高崎市と東海村にある大型中型加速器を用いて様々な条件で照射した数種類の半導体試料をつくば市に持ち帰り、電子顕微鏡観察等を適用し、メカニズム解明を目指す。
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| 研究実績の概要 |
イオントラック形成はイオンビームの電子励起効果により引き起こされると考えられ、電子的阻止能Seにより記述されると信じられていた。しかし最近我々はSiにおいて、同じSeでも単原子イオンではトラックが形成されず、C60イオン照射ではトラックが形成される現象を観測した。この現象は単なる速度効果では説明できず、機構の解明に寄与するのが本研究課題の目的の一つである。この目的のために、３つの研究アプローチを取ることとしている：(1)材料をSiに固定して多様な条件での詳細な研究、(2)同様の挙動を示すSi以外の物質の探索、(3)数値計算との比較である。
今年度（2023年度）は、(2)のアプローチとして、Si以外の物質で同様の挙動を示す物質の探索を行ったところ、ワイドギャップ半導体としても注目されているダイヤモンドにおいて、Siとよく似た挙動を観測した。ダイヤモンドは、どのようなエネルギーのどんな種類の単原子イオンを照射してもイオントラックを形成しないと信じられていた。実際、GeV域でのUイオン照射も行われたが、トラックは形成されなかった。しかし、我々は数MeVのC60イオン照射によりダイヤモンドにイオントラックが形成されることを発見した。
(3)の数値計算では、トラック形成をイオンからのエネルギー付与による融解と関連付けた非弾性熱スパイクモデルを用いてきたが、これはダイヤモンドには適用できない。ダイヤモンドは加熱されると、通常の圧力では融解しないでグラファイト化してしまうためである。そこで適用性の広い二温度分子動力学法をフィンランドのグループに協力してもらい適用し、C60照射ではトラックが形成されるが、単原子イオン照射では形成されない挙動を正しく再現した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
良好な点と問題点、両者とも以下に記すように存在するが、総じて計画以上に進展していると判断する。
【良好な点】
なによりも、イオントラックが形成されないと当該分野では信じられていたダイヤモンドに対して、数MeVのC60イオン照射を行い、イオントラックが形成されることを発見した。それだけでもインパクトのある結果ではあったが、詳しい透過電子顕微鏡観察、最新の収差補正の高分解能像観察、二温度分子動力学法のシミュレーション技術を組み合わせて、極めてインパクトのある成果として、Nature-Communications誌に論文が掲載された。当初予想していたよりも、よい成果が上がった。また地道ながら興味深い成果もSiについて得られつつある。
【問題点】Siとダイヤモンドという単元素半導体についてはトラックの観測が成功した。しかし、AlN、ZnO、GaAsといった化合物半導体については実験を試みたが、多数の欠陥構造が観測され、どれが本当にトラックなのかの判別が難しい状況は改善されていない。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究実施計画そして研究実績概要で述べたように３つの研究アプローチで進める：
(1)材料をSiに固定して多様な条件での詳細な研究、(2)同様の挙動を示すSi以外の物質の探索、(3)数値計算との比較である。
(1)に関しては、2022年度においてこれまでより高エネルギー側でのデータの取得を行った。昨年度より低エネルギー側でのデータ取得の進めており、今年度は補足データを取得後に論文にまとめる予定である。(2)については昨年度ダイヤモンドにおいて大きな成果が得られた。今後は化合物半導体のトラック探索に再トライする。(3)では計算モデル「非弾性熱スパイク法」についてはアルジェリア、「二温度分子動力学法」についてはフィンランドのグループと連携で進めていく。
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