複合アニオン薄膜分析用水素検出効率100％の重イオンERDA開発

• 研究領域: 複合アニオン化合物の創製と新機能
• 研究課題/領域番号: 17H05475
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 関場 大一郎 筑波大学, 数理物質系, 講師 (20396807)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2018年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2017年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 反跳原子検出法 / 酸窒化物 / 水素 / イオンビーム / イオンビーム分析 / イオビーム分析 / 複合アニオン / 薄膜 / 軽元素 / 弾性反跳原子検出法 / 重イオン

研究実績の概要

TOF-E telescope ERDA（飛行時間測定型・反跳粒子検出法）のプロトタイプを完成させ、主に窒素、酸素、水素を含む薄膜およびその多層膜への応用を行った。具体的には筑波大学研究基盤総合センター応用加速器部門にある1MVタンデトロン加速器のDコースにTOF-E telescope ERDAシステムを構築した。Cl^+3イオンを4MeVまで加速して試料に入射し、ビーム方向から30°の反跳角で測定を行った。飛行時間は2つのMCP（マイクロチャンネルプレート）を700mmの間隔で設置し、それぞれのシグナルをstartとstopにして測定した。軽元素の絶対定量が可能かどうかを判断するためにCaTaO2Nという組成の分かった膜を測定し、統計誤差の範囲内でOとNの比が2になることを確認した。このことを利用し、成膜時のプロセスガスの圧力を変えた試料において圧力由来の不純物効果を観察することに成功した。具体的には圧力が小さいときに多くの酸素、水素の不純物が観察された。ガス導入時に一定数の水蒸気が混入することを示唆している。深さ分解能は2nmに到達し、各層が10nm厚の多層膜でも定量が可能になった。SiAlN/TiN/SiAlNという3層膜で測定した結果、各層で窒素の組成比がことなることを明瞭に確認できた。また、不純物としての水素にも敏感であり、基板との界面と最表面に水酸基によると考えられる水素のピークを確認できた。今後の課題としては信号処理系の電気ノイズによりディスクリレベルを高く設定せざるを得ず、結果として信号の数え落しが40%近くあるのを改善する必要がある。信号を早い段階でデジタル化し、デジタルオシロでの飛行時間測定などの信号処理システムを導入したい。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Enhanced Electrical Conduction in Anatase TaON via Soft Chemical Lithium Insertion toward Electronics Application (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Suzuki, Yasushi Hirose, Takafumi Nakagawa, Satoshi Fujiwara, Shoichiro Nakao, Yutaka Matsuo, Isao Harayama, Daiichiro Sekiba, and Tetsuya Hasegawa
  • 雑誌名: ACS Appl. Nano Mater. 巻: 1 号: 8 ページ: 3981-3985
  • DOI: 10.1021/acsanm.8b00750
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of high-resolution ERDA with double MCP system and determination of detection limit for H and D (2018)
  • 著者名/発表者名: Sekiba D.、Tamura T.、Harayama I.、Watahiki Y.、Ishii S.、Ozeki K.、Fukata N.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 巻: 430 ページ: 6-10
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2018.05.043
• [雑誌論文] Epitaxial Growth of Baddeleyite NbON Thin Films on Yttria-Stabilized Zirconia by Pulsed Laser Deposition (2018)
  • 著者名/発表者名: V. Motaneeyachart, Y. Hirose, A. Suzuki, S. Nakao, I. Harayama, D. Sekiba, T. Hasegawa
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 47 ページ: 65-65
  • NAID: 130006302078
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferromagnetism with strong magnetocrystalline anisotropy in A-site ordered perovskite YBaCo2O6 epitaxial thin film prepared via wet-chemical topotactic oxidation (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama, A. Chikamatsu, Y. Hirose, M. Minohara, H. Kumigashira, I. Harayama, D. Sekiba, T. Hasegawa
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. 巻: C6 ページ: 3445-3445
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental verification of a gain reduction model for the space charge effect in a wire chamber (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Nagakura, K. Fujii, I. Harayama, Y. Kato, D. Sekiba, Y. Watahiki, S. Yamashita
  • 雑誌名: Prog. Theor. Exp. Phys. 巻: 013C01
  • NAID: 120007133759
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Calibration of PIXE yields using Cu as a reference (2017)
  • 著者名/発表者名: I. Harayama, D. Sekiba, Q. Zhao, A. Vantomme, W. Vandervorst, J. Meersschaut
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B 巻: 406 ページ: 115-118
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Installation of high-resolution ERDA in UTTAC at the University of Tukuba: Determination of the energy resolution and the detection limit for hydrogen (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Sekiba, K. Chito, I. Harayama, Y. Watahiki, S. Ishii, K. Ozeki
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 巻: 401 ページ: 29-32
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topotactic fluorination of perovskite strontium ruthenate thin films using polyvinylidene fluoride (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Kawahara, A. Chikamatsu*, T. Katayama, T. Onozuka, D. Ogawa, K. Morikawa, E. Ikenaga, Y. Hirose, I. Harayama, D. Sekiba, T. Fukumura, T. Hasegawa
  • 雑誌名: CrystEngComm 巻: 19 ページ: 313-317
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reversible resistance modulation induced by fluorine substitution in perovskitenickelate NdNiO2 thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Onozuka, A. Chikamatsu, T. Katayama, Y. Hirose, I. Harayama, D. Sekiba, E. Ikenaga, M. Minohara, H. Kumigashira, T. Hasegawa
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 9 ページ: 10882-10887
  • 査読あり
• [学会発表] Study of PSD with energy resolution for improvement of hydrogen sensitivity in high-resolution ERDA (2017)
  • 著者名/発表者名: I. Harayama, T. Tamura, K. Tsujita, Y. Watahiki, K. Ozeki, D. Sekiba
  • 学会等名: 23rd International Conference on Ion Beam Analysis, Fundai University, Shanghai, China, October 8th~13th, 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Pd(110)の水素脱離過程解明に向けたチャネリングHERDA装置開発の現状 (2017)
  • 著者名/発表者名: 菊田純市，関場大一郎
  • 学会等名: 日本物理学会，22aN12-12，2017年秋季大会，岩手大学上田キャンパス
• [学会発表] PIXEの定量性向上に向けた相対補正因子h factorを用いた構成方法の評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 原山勲，関場大一郎，Q. Zhao, A. Vantomme, W. Van der Vorst, J. Meersschaut
  • 学会等名: 日本物理学会，23aA18-3，2017年秋季大会，岩手大学上田キャンパス
• [学会発表] 試作アンプと半導体検出器の組み合わせによる反跳水素の観察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 杉澤悠紀，原山勲，辻田耕希，関場大一郎
  • 学会等名: 日本物理学会，23aA18-5，2017年秋季大会，岩手大学上田キャンパス
• [学会発表] 高分解能ERDA測定に向けた16チャンネル位置敏感検出器用プリアンプの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 辻田耕希，杉澤悠紀，原山勲，関場大一郎
  • 学会等名: 日本物理学会，23aA18-6，2017年秋季大会，岩手大学上田キャンパス
• [図書] Compendium of Surface and Interface Analysis (2018)
  • 著者名/発表者名: The Surface Science Society of Japan (編集)
  • 総ページ数: 853
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 9789811061554
• [備考] 水素・量子アトミクス研究室（関場研）
  • URL: http://www.tac.tsukuba.ac.jp/~sekiba/
• [備考] 関場研究室
  • URL: http://www.tac.tsukuba.ac.jp/~sekiba/