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電子励起による原子移動とその結果生じる相転移について、III-V族化合物をとりあげ、ナノクラスターのようなメゾスコピック領域における物質の応答について調べた。励起源として主に電子ビームを利用して、III-V族化合物クラスターを電子励起した結果起こる相転移について、電子顕微鏡法によって調べ、クラスターにおける電子励起原子移動と相転移の機構ならびにそのダイナミクスについて種々の要因の協力現象としての非線形的なふるまいの観点から検討し以下の成果を得た。
約10〜20nmの粒径をもつGaSbナノ粒子においては、試料温度423Kで75kVの電子照射によってSbをコアにGaをシェルとした二層構造をもつナノ粒子に相分離する。しかし、試料温度を443K以上へ昇温、あるいは、363K以下へ降温すると、75kVの電子照射後もナノ粒子は化合物の結晶状態を保持する。また、試料温度423Kで200kVの電子照射によっても化合物の結晶状態は保持される。負の生成エンタルピー(-42kJ/mol)をもつGaSbにおいて相分離は自発的には起こらないが、本手法を用いるとそれが可能となる。このような相分離は、(1)数10keVオーダーのエネルギーの電子照射によって起こり電子エネルギーの低下とともに促進されること、(2)必ずしも原子配置のエントロピーが増大するようなランダムな方向に反応が進行しないこと等によって特徴づけられ、こうした構造変化が電子励起による局所的な結合状態の変化に起因した原子の再配列(電子-格子相互作用)によるものであることを明らかにした。ナノシステムにおいては、電子励起による結合の不安定化、励起状態の局在化、原子移動度の促進および反応の熱平衡や速度過程等の相乗効果に起因した構造相転移の非線形応答が現われ、それを利用したクラスター構造制御のための新たな知見を得た。
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