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2012 年度 実績報告書

巨大クラスターイオンによる機能性有機材料評価技術の研究

研究課題

研究課題/領域番号 23246012
研究機関京都大学

研究代表者

松尾 二郎  京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40263123)

研究分担者 瀬木 利夫  京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (00402975)
青木 学聡  京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (90402974)
研究期間 (年度) 2011-04-01 – 2014-03-31
キーワードSIMS / クラスター / イオン / 分析 / バイオ / 高分子
研究概要

巨大クラスターは数千と多数の原子分子からなるため数keVに加速しても運動エネルギーがそれぞれの原子に分配され、数eVの低エネルギーイオンビームと同じ速度を持つ。これにより低損傷エッチングを実現でき、ポリマーや生体高分子などの機能性有機材料のの深さ方向分析が可能となる。すでに機能性有機材料として実用化されている有機半導体の多層膜の深さ分析に成功しており、その有用性を示してきた。
さらに、多くの材料の深さ分析を行い、これまで有機物の深さ分析に用いられてきたC60イオンなどと比較して、ダメージが少ない、エッチング時の表面荒れが抑えられる、スパッタ率の変動がないなど優れた特徴を有していることを明らかにした。PMMAやPCのポリマーの表面にクラスターを照射し表面に残るダメージを光電子分光法やエリプソメーターを使って調べたところ、ダメージ層は1nm以下と極めて薄くC60のようにポリマー組成比の変化は見られなかった。また、光電子スペクトルを詳細に調べたところ、スパッタリングに用いるクラスターイオンのサイズ分布やエネルギーなどの加工条件を最適化することにより、化学結合状態(ケミカルシフト)も照射前後でほとんど変化させることなくエッチングできることを示した。この結果は、クラスタービームを照射してエッチング加工した表面は光電子分光法でも状態変化が見られず、クラスターイオンを、2次イオン質量分析法のプローブとしてだけでなく、光電子分光法のエッチングビームとしても有用に利用できることを示している。機能性有機材料の深さ方向や埋もれた界面などの化学結合状態を計測できる新しい評価法の基礎を確立した。光電子分光装置を販売している主要なメーカーからArクラスターイオン銃を搭載することがアナウンスされており、有機物の深さ分析を実現できる新しい手法として活用が期待されている。

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

多くの機能性有機材料について、巨大クラスターイオンの持つ低ダメージ性については明らかにすることができた。また、表面に残るダメージについて、イオンの加速エネルギーやクラスターサイズ依存性を明らかにすることもできた。これらの研究により低損傷エッチングに必要な要件を明確化することができた。1000以上のクラスターサイズを用いることで10keV以下のビームエネルギーでも多くの有機材料に対し十分低ダメージであることが、明らかになり、これまでのクラスター生成法やイオン化法で対応できることが分かった。れらの成果は当初予想していたより早く達成することができ、多くの論文発表に繋がった。
これらの要素技術を使った市販装置も開発され実用化に成功したが、更に応用分野を広げていくためには解決しなければならない問題も多い。ダメージ制御が予想より早く完成したので、これらの課題への取り組みが早めることができた。

今後の研究の推進方策

低ダメージエッチングが可能となり深さ方向分析に最も適したビームであることは明らかになったが、さらに多くの分野に使っていくためには多くのことを検討する必要がある。ビーム強度の増大、ビーム径の縮小、更にはArだけでなく他の分子からなるクラスター種の生成などがこれからの大きな課題としてクローズアップされてきた。今後これらの課題解決に向けた取り組みを本格化させることが必要になり、ガス供給法やビーム収束カラムなど大幅な見直しが必要になるが、そのために必要な予備実験を開始した。

  • 研究成果

    (60件)

すべて 2012 その他

すべて 雑誌論文 (6件) 学会発表 (54件) (うち招待講演 15件)

  • [雑誌論文] "Hot electron injection driven phase transitions"2012

    • 著者名/発表者名
      1.M. Hada
    • 雑誌名

      Physical. Review.

      巻: B 86 ページ: 134101

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.86.134101

  • [雑誌論文] “Molecular dynamics study of crater formation by core-shell structured cluster impact”2012

    • 著者名/発表者名
      T. Aoki
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research

      巻: B, 282 ページ: pp.29-32

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2011.08.061

  • [雑誌論文] “Ion-induced damage evaluation with Ar cluster ion beams”2012

    • 著者名/発表者名
      Yasuyuki Yamamoto
    • 雑誌名

      Surface and Interface Analysis

      巻: 45 ページ: pp. 167-170

    • DOI

      10.1002/sia.5014

  • [雑誌論文] “Ultrafast X-ray sources for time-resolved measurements”2012

    • 著者名/発表者名
      M. Hada
    • 雑誌名

      X-Ray Spectrom.

      巻: 41 ページ: 188-194

    • DOI

      10.1002/xrs.2401

  • [雑誌論文] “Depth profiling analysis of damaged arginine films with Ar cluster ion beams”2012

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuo
    • 雑誌名

      Surface and Interface Analysis

      巻: Vol. 44 [6] ページ: pp.729-731

    • DOI

      10.1002/sia.4856

  • [雑誌論文] “Sputtered ion emission under size-selected Arn+ cluster ion bombardment”2012

    • 著者名/発表者名
      Hubert Gnaser
    • 雑誌名

      Surface and Interface Analysis

      巻: 45 ページ: pp. 138-142

    • DOI

      10.1002/sia.4914

  • [学会発表] “Ultrafast Molecule Dymanics of Photochromic Reaction in Diarylethene”2012

    • 著者名/発表者名
      Y. Hontani
    • 学会等名
      IUMRS-International Conference on Electronic Materials
    • 発表場所
      Yokohama, Japan
    • 年月日
      20120923-20120928
  • [学会発表] “Photoinduced Ultrafast Phase Transition in VO2 Crystal: Atomic Motion of Vanadium”2012

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuo
    • 学会等名
      IUMRS-International Conference on Electronic Materials
    • 発表場所
      Yokohama, Japan
    • 年月日
      20120923-20120928
  • [学会発表] “Etching of Si by Methanol Gas Cluster Ion Beam Irradiation”2012

    • 著者名/発表者名
      S. Nakagawa
    • 学会等名
      IUMRS-International Conference on Electronic Materials
    • 発表場所
      Yokohama, Japan
    • 年月日
      20120923-20120928
  • [学会発表] “Development of Electrostatic Quadrupole Lens for MeV-SIMS Imaging”2012

    • 著者名/発表者名
      S. Shitomoto
    • 学会等名
      IUMRS-International Conference on Electronic Materials
    • 発表場所
      Yokohama, Japan
    • 年月日
      20120923-20120928
  • [学会発表] “High-speed Processing with ClF3 Cluster Injection”2012

    • 著者名/発表者名
      T. Seki
    • 学会等名
      IUMRS-International Conference on Electronic Materials
    • 発表場所
      Yokohama, Japan
    • 年月日
      20120923-20120928
  • [学会発表] “Development of Electrostatic Quadrupole Lens for MeV-SIMS Imaging”2012

    • 著者名/発表者名
      S. Shitomoto
    • 学会等名
      19th International Mass Spectrometry Conference
    • 発表場所
      Kyoto, Japan
    • 年月日
      20120915-20120921
  • [学会発表] “Secondary Ion Emission with Methanol Gas Cluster Ion Beam Irradiation”2012

    • 著者名/発表者名
      S. Nakagawa
    • 学会等名
      19th International Mass Spectrometry Conference
    • 発表場所
      Kyoto, Japan
    • 年月日
      20120915-20120921
  • [学会発表] “Molecular Imaging of Cells and Tissues with Continuous Cluster Ion Beams”2012

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuo
    • 学会等名
      19th International Mass Spectrometry Conference
    • 発表場所
      Kyoto, Japan
    • 年月日
      20120915-20120921
  • [学会発表] “Bio-imaging with Swift Heavy Ion Beams”2012

    • 著者名/発表者名
      T. Seki
    • 学会等名
      19th International Mass Spectrometry Conference
    • 発表場所
      Kyoto, Japan
    • 年月日
      20120915-20120921
  • [学会発表] “Development of MeV-SIMS imaging system with Electrostatic Quadrupole Lens”2012

    • 著者名/発表者名
      T. Seki
    • 学会等名
      22nd International Conference on the Application of Accelerators in Research & Industry
    • 発表場所
      Fort Worth, USA
    • 年月日
      20120805-20120810
    • 招待講演
  • [学会発表] “Molecular Imaging with Focused Cluster Ion Beams”2012

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuo
    • 学会等名
      22nd International Conference on the Application of Accelerators in Research & Industry
    • 発表場所
      Fort Worth, USA
    • 年月日
      20120805-20120810
    • 招待講演
  • [学会発表] "Secondary Ion Emission with Cluster Ion Beam: Toward Molecular Imaging of Biological Samples"

    • 著者名/発表者名
      Jiro Matsuo
    • 学会等名
      Symposium on Advanced Technologies in Mass Spectrometry
    • 発表場所
      Yamanashi, Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] “An Electrostatic Quadrupole Lens for Focusing Swift Heavy Ions in MeV-SIMS”

    • 著者名/発表者名
      T. Seki
    • 学会等名
      25th International Conference on Atomic Collisions in Solids
    • 発表場所
      Kyoto, Japan
  • [学会発表] "Secondary ion emission with energetic cluster beam"

    • 著者名/発表者名
      Jiro Matsuo
    • 学会等名
      25th International Conference on Atomic Collisions in Solids
    • 発表場所
      Kyoto, Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] “Radiation Effects and Applications of Slow Heavy Particles”

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Aoki
    • 学会等名
      Swift Heavy Ions in Materials Engineering and Character
    • 発表場所
      New Delhi, India
    • 招待講演
  • [学会発表] “Ultrafast hot electron induced phase transision in VO2”

    • 著者名/発表者名
      M. Hada
    • 学会等名
      Electronic States and Phases Induced by Electric or Optical Impacts
    • 発表場所
      Orsay, France
  • [学会発表] “Development of large cluster ion beams: from fundamental aspects to future applications”

    • 著者名/発表者名
      Jiro Matsuo
    • 学会等名
      8th European Workshop on Secondary Ion Mass Spectrometry
    • 発表場所
      Munster, Germany
    • 招待講演
  • [学会発表] “MD simulations of atomic, molecular and cluster impact, from X1 to X1000000”

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Aoki
    • 学会等名
      The 18th International Conference on Ion Beam Modifications of Materials
    • 発表場所
      Qingdao, China
  • [学会発表] “Novel material processing with energetic cluster beams”

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuo
    • 学会等名
      The 18th International Conference on Ion Beam Modifications of Materials
    • 発表場所
      Qingdao, China
  • [学会発表] “An Electrostatic Quadrupole Lens for Focusing Swift Heavy Ions in MeV-SIMS”

    • 著者名/発表者名
      T. Seki
    • 学会等名
      13th International Conference On Nuclear Microprobe Technology & Applications
    • 発表場所
      Lisbon, Portgue
  • [学会発表] “MeV-SIMS with Swift Heavy Ion Beams toward Molecular”

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuo
    • 学会等名
      13th International Conference On Nuclear Microprobe Technology & Applications
    • 発表場所
      Lisbon, Portgue
  • [学会発表] “Ultrafast Hot-electron Induced Phase Transitions in Vanadium Dioxide”

    • 著者名/発表者名
      M. Hada
    • 学会等名
      Ultrafast Phenomena 2012
    • 発表場所
      Lausanne, Switzerland
  • [学会発表] “Evaluation of sputtering and damage with huge cluster impact using molecular dynamics simulations”

    • 著者名/発表者名
      T. Aoki
    • 学会等名
      Computer Simulations of Radiation Effects in Solids
    • 発表場所
      Santa Fe, USA
  • [学会発表] “Large-scale MD Simulation of Huge Cluster Impact for Surface Process and Analysis”

    • 著者名/発表者名
      T. Aoki
    • 学会等名
      The International Symposium on SIMS and Related Techniques Based on Ion-Solid Interactions at Seikei University
    • 発表場所
      Seikei Univ., Tokyo
    • 招待講演
  • [学会発表] “An Electrostatic Quadrupole Lens for Focusing Swift Heavy Ions in MeV-SIMS”

    • 著者名/発表者名
      T. Seki
    • 学会等名
      The International Symposium on SIMS and Related Techniques Based on Ion-Solid Interactions at Seikei University
    • 発表場所
      Seikei Univ., Tokyo
  • [学会発表] “Boron concentration measurement in cultivated cells with Nano-SIMS”

    • 著者名/発表者名
      M. Py
    • 学会等名
      The International Symposium on SIMS and Related Techniques Based on Ion-Solid Interactions at Seikei University
    • 発表場所
      Seikei Univ., Tokyo
  • [学会発表] “Mass Imaging with Cluster Ion Beams”

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuo
    • 学会等名
      The International Symposium on SIMS and Related Techniques Based on Ion-Solid Interactions at Seikei University
    • 発表場所
      Seikei Univ., Tokyo
  • [学会発表] “MeV SIMS Fundamentals”

    • 著者名/発表者名
      Jiro Matsuo
    • 学会等名
      Joint IAEA-SPIRIT-Japan Technical Meeting on Development and Utilization of MeV SIMS
    • 発表場所
      Dubrovnik, Croatia
    • 招待講演
  • [学会発表] “Development of MeV SIMS Instrumentation and application at Kyoto”

    • 著者名/発表者名
      Toshio Seki
    • 学会等名
      Joint IAEA-SPIRIT-Japan Technical Meeting on Development and Utilization of MeV SIMS
    • 発表場所
      Dubrovnik, Croatia
    • 招待講演
  • [学会発表] “Molecular dynamic simulation”

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Aoki
    • 学会等名
      Joint IAEA-SPIRIT-Japan Technical Meeting on Development and Utilization of MeV SIMS
    • 発表場所
      Dubrovnik, Croatia
    • 招待講演
  • [学会発表] “A New SIMS Imaging System with A Focused Ar Cluster Beam for Molecular Imaging”

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuo
    • 学会等名
      24th Annual Workshop on SIMS
    • 発表場所
      Philadelphia, USA
  • [学会発表] “A Novel Imaging Technique for Cells and Tissue by Energetic Particle Bombardment”

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuo
    • 学会等名
      2012 MRS Spring Meetings
    • 発表場所
      San Francisco, USA
  • [学会発表] “Femtosecond X-Ray Diffraction of VO2(100): Structural Dynamics during Phase Transition”

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuo
    • 学会等名
      2012 MRS Spring Meetings
    • 発表場所
      San Francisco, USA
    • 招待講演
  • [学会発表] “Real-time Observation of Photo-induced Phase Transition of Diarylethene”

    • 著者名/発表者名
      Y. Hontani
    • 学会等名
      2012 MRS Spring Meetings
    • 発表場所
      San Francisco, USA
  • [学会発表] “Sputtering with large cluster ion beams”

    • 著者名/発表者名
      Jiro Matsuo
    • 学会等名
      Symposium on Surface and Nano Science 2013
    • 発表場所
      Zaho, Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] “Pauli Driven Cold Explosion in Alkali Halides”

    • 著者名/発表者名
      Masaki Hada
    • 学会等名
      Banff Meeting on Structural Dynamics
    • 発表場所
      Banff, Canada
  • [学会発表] “Femtosecond X-ray Diffraction of Photochromic Diarylethenes”

    • 著者名/発表者名
      Yusaku Hontani
    • 学会等名
      Banff Meeting on Structural Dynamics
    • 発表場所
      Banff, Canada
  • [学会発表] “熱電子励起相転移現象の観測”

    • 著者名/発表者名
      羽田真毅
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学
  • [学会発表] “パウリ崩壊:アルカリハライド塩の電荷移動吸収帯励起反応”

    • 著者名/発表者名
      羽田真毅
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学
  • [学会発表] “ジアリールエテン単結晶の光反応のフェムト秒構造ダイナミクス”

    • 著者名/発表者名
      本谷友作
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学
  • [学会発表] “Arクラスターイオンを用いたアミノ酸のスパッタリング機構に関する研究”

    • 著者名/発表者名
      藤井麻樹子
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学
  • [学会発表] “ガスクラスターイオンビームによるDSPCの深さ方向SIMS分析”

    • 著者名/発表者名
      中川駿一郎
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学
  • [学会発表] “Siトレンチ構造への巨大フッ素クラスター衝突のMDシミュレーション”

    • 著者名/発表者名
      青木学聡
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学
  • [学会発表] “高空間分解能SIMS用クラスターイオン源の開発”

    • 著者名/発表者名
      鳥居聡太
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学
  • [学会発表] “高速重イオンをプローブとした質量イメージング技術の高速化とその応用”

    • 著者名/発表者名
      志戸本祥
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学
  • [学会発表] “ClF3中性クラスタービームによる反応性エッチングの高速化”

    • 著者名/発表者名
      神奈川工科大学
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学
  • [学会発表] “クラスターSIMS 法による脂質薄膜の構造評価”

    • 著者名/発表者名
      松尾二郎
    • 学会等名
      第32回表面科学学術講演会
    • 発表場所
      東北大学
  • [学会発表] “高速重イオンを用いたバイオイメージング技術”

    • 著者名/発表者名
      松尾二郎
    • 学会等名
      先端放射線化学セミナー
    • 発表場所
      京都大学
    • 招待講演
  • [学会発表] “日本から発信する新しい表面分析技術”

    • 著者名/発表者名
      松尾二郎
    • 学会等名
      第13回真空シンポジウム
    • 発表場所
      東京ビッグサイト
    • 招待講演
  • [学会発表] "ClF3 クラスターイオンビームによる反応性エッチング"

    • 著者名/発表者名
      瀬木利夫
    • 学会等名
      第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学/松山大学
  • [学会発表] "MeV-SIMS イメージング用静電型四重極レンズの開発"

    • 著者名/発表者名
      志戸本祥
    • 学会等名
      第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学/松山大学
  • [学会発表] "集束クラスターイオンビーム照射による直行加速飛行時間型SIMS 分析"

    • 著者名/発表者名
      中川駿一郎
    • 学会等名
      第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学/松山大学
  • [学会発表] "有機結晶におけるフォトクロミック反応のフェムト秒実時間観察"

    • 著者名/発表者名
      本谷友作
    • 学会等名
      第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学/松山大学
  • [学会発表] “二次イオン質量分析法の新展開”

    • 著者名/発表者名
      松尾二郎
    • 学会等名
      2012アルバック・ファイ株式会社技術講演会
    • 発表場所
      東京
    • 招待講演

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公開日: 2014-07-24  

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