研究課題
イオンビームによる水素導入法は、原理的にあらゆる物質に多量の水素を導入することが可能であり、低温で照射すれば室温では水素が脱離しやすい試料に対しても水素を高濃度に導入することが可能である。また、同時に物性測定を行うことで、水素誘起の物性や機能をその場で評価可能であり、固体中の水素に関する詳細な研究も可能となる。本研究では、原理的にあらゆる物質に多量の水素を導入することが出来る水素イオンビーム照射装置を用いて低温での水素注入およびin situ物性測定を行い、多様な薄膜の物性や機能を劇的に変化させることにより、機能性物質の創成を行う。本年度は、低温での水素イオンビーム照射装置とin situ物性測定方法の確立を行った。高真空を破らずに試料交換を行えるサンプルトランスポートや、低温でも開閉可能な輻射シールドを開発して、3.8 Kの低温まで試料を冷却しin situ物性測定が可能な装置を作製した。その内容をReview of Scientific Instruments誌で報告した。RFスパッタ装置を用いて金属パラジウムのナノ薄膜を作成し、低温での水素イオンビーム照射による水素誘起超伝導を見出した。また、RFスパッタ装置で作成した酸化亜鉛のナノ薄膜やPLD(Pulsed Laser Deposition)法により作成したSrTiO3のナノ薄膜への低温での水素イオンビーム照射を行い、格子間隙に水素を大量にドープすることにより本来絶縁体である酸化物を金属化することに成功した。
1: 当初の計画以上に進展している
これまでに、低温での水素イオンビーム照射装置開発とin situ物性測定方法の確立が出来た。特に、新しく開発した低温で開閉可能な輻射シールドが効果的に働き、当初目標としていた5 Kよりもさらに低温の3.8 Kまで冷却可能であることを実証した。本装置はクローズドサイクルの冷凍機を用いており、長時間低温でのイオン照射実験を行うことが出来る。また、装置がコンパクトであり、5 kV程度の低加速電圧でイオン照射を行うため、試料へのダメージも少ない。このオリジナルな実験装置開発について論文としてまとめ、Review of Scientific Instruments誌で報告することが出来た。またその装置を用いてパラジウムの水素誘起超伝導や酸化物絶縁体の水素誘起金属化などに成功した。
前年までに開発した低温での水素イオンビーム照射装置を用いて、遷移金属酸化物やパラジウムなどのナノ薄膜の水素誘起（超）伝導、高性能熱電特性、新奇物性探索を行う。薄膜用X線回折装置を用いて、水素イオンビーム照射前後でin-planeおよびout-of-planeの回折実験を行い、構造変化と物性変化の関係を評価する。さらに、SIMS（二次イオン質量分析法）による試料内部の厚さ方向の元素分析により、試料内部での水素濃度とその分布を定量的に評価・解析する。UV-Vis-NIRスペクトルやカソードルミネッセンス測定によりバンドギャップや電子状態の変化を調べ、さらに、Hall効果の測定によりキャリヤ濃度や易動度の変化を調べる。また、水素を重水素に変えてイオン照射実験を行い、同位体効果について検証する。
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