Ion tracks and nanohillocks created in natural zirconia irradiated with swift heavy ions

高速重イオン照射した天然ジルコニアにおけるイオントラックとナノヒロック

石川 法人   ; 福田 将眞   ; 中嶋 徹   ; 小河 浩晃  ; 藤村 由希; 田口 富嗣*

Ishikawa, Norito; Fukuda, Shoma; Nakajima, Toru; Ogawa, Hiroaki; Fujimura, Yuki; Taguchi, Tomitsugu*

340-MeV Auイオンビームを照射した天然ジルコニアにおいて形成されたイオントラックとナノヒロックを透過型電子顕微鏡で微細観察した。ナノヒロックの寸法が10nm程度であり、局所溶融した領域の寸法と同程度であることが分かった。したがって、一旦溶融した結果としてイオントラックとナノヒロックが形成されたことが分かる。次に、イオントラックを観察すると長方形の断面形状をしており、かつ結晶構造が大きく溶融前と変化していないことが分かった。したがって、他のセラミックスと異なり、ジルコニアにおいては、局所溶融後に、結晶構造を反映した異方的な再結晶化が起きていることが強く示唆される。一方で、イオントラックの中心部には、飛跡に沿った低密度のコア領域が形成されており、イオンビームが入射した表面への物質移動により物質欠損が形成されていることも判明した。物質欠損を伴う条件では再結晶化が不十分となり、飛跡のごく近くでは低密度コア領域が形成されていると説明できる。

Natural monoclinic zirconia (baddeleyite) was irradiated with 340-MeV Au ions, and the irradiation-induced nanostructures (i.e., ion tracks and nanohillocks) were observed using transmission electron microscopy. The diameter of the nanohillocks is approximately 10 nm, which is similar to the maximum molten region size calculated using the analytical thermal spike model. Ion tracks are imaged as strained regions that maintain their crystalline structure. The cross-sections of most of the ion tracks are imaged as parallelopiped or rectangular contrasts as large as 10 nm. These results strongly indicate that the molten region is recrystallized anisotropically, reflecting the lattice structure. Furthermore, low-density track cores are formed in the center of the ion tracks. The formation of low-density track cores can be attributed to the ejection of molten matter toward the surface.