Surface nanostructures on Nb-doped SrTiO irradiated with swift heavy ions at grazing incidence

高速重イオンを微小入射角方向から照射したNb添加SrTiOの表面ナノ構造

石川 法人   ; 藤村 由希; 近藤 啓悦  ; Szabo, G. L.*; Wilhelm, R. A.*; 小河 浩晃  ; 田口 富嗣*

Ishikawa, Norito; Fujimura, Yuki; Kondo, Keietsu; Szabo, G. L.*; Wilhelm, R. A.*; Ogawa, Hiroaki; Taguchi, Tomitsugu*

高速重イオンを微小入射角で照射したNb添加SrTiOの表面ナノ構造を調べた成果についてまとめた。セラミックスに対して高速重イオンを微小入射角で照射すると、ヒロックチェーン(イオンの飛跡に沿って、複数個並んで形成されるナノヒロック)が表面付近に形成されることが知られている。我々は、ヒロックチェーンの形態・性状をAFM(原子間力顕微鏡)とSEM(走査型電子顕微鏡)を利用して、詳細に調べた。その際に、全く同じヒロックチェーンを、AFMとSEMのそれぞれで観察することに成功した。AFMの観察データは、先行研究の示す通りに、ヒロックチェーンが形成されていることを示している一方で、SEMの観察データは(同じヒロックチェーンを観察しているにもかかわらず)ヒロックチェーンをつなぐ黒い線状コントラストも現れることが判明した。これらの新しい損傷データをもとに、ヒロックチェーンの形成メカニズムについて推論した。さらにTEM(透過型電子顕微鏡)観察し、微小入射角で照射した際に形成される特殊なイオントラック損傷の形成プロセスを明らかにした。

A single crystal of SrTiO doped with niobium (Nb-STO) was irradiated with 200 MeV Au ions at grazing incidence. Atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) are used to study the relation between irradiation-induced change of surface topography and corresponding material property changes. As expected, multiple hillocks as high as 5-6 nm are imaged by AFM observation. It is also found that the region in between the adjacent hillocks is slightly elevated rather than depressed. Line-like contrasts along the ion paths are found in both AFM phase images and SEM images, indicating the formation of continuous ion tracks in addition to multiple hillocks. Cross-sectional transmission electron microscopy (TEM) observation shows that the ion tracks in the near-surface region are found to be relatively large, whereas buried ion tracks in the deeper region are relatively small. The results suggest that recrystallization plays an important role in the formation of small ion tracks in the deep region, whereas formation of large ion tracks in the near-surface region is likely due to the absence of recrystallization.