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Fluorine-doping in titanium dioxide by ion implantation technique

イオン注入法による二酸化チタンへのフッ素ドープ

八巻 徹也; 梅林 励; 住田 泰史*; 山本 春也; 前川 雅樹; 河裾 厚男; 伊藤 久義

Yamaki, Tetsuya; Umebayashi, Tsutomu; Sumita, Taishi*; Yamamoto, Shunya; Maekawa, Masaki; Kawasuso, Atsuo; Ito, Hisayoshi

二酸化チタン(TiO$$_{2}$$)単結晶に1$$times$$10$$^{16}$$から1$$times$$10$$^{17}$$ions cm$$^{-2}$$の200eV F$$^{+}$$を注入し、1200$$^{circ}C$$までの等時アニールを各ステップ5時間ずつ行った。アニールに伴う照射損傷の回復過程については、ラザフォード後方散乱/チャネリング解析とエネルギー可変ビームを用いた陽電子消滅測定で調べた。1200$$^{circ}C$$でアニールすると、空孔型欠陥の外方拡散によって結晶性が完全に回復した。二次イオン質量分析によれば、本試料は深部から表面へ向かって増大するような不純物濃度プロファイルを有していた。密度汎関数理論に基づいたバンド構造計算を行った結果、FドープはTiO$$_{2}$$の伝導帯の下端付近にわずかな変化を及ぼし、これによりバンドギャップ制御が可能であることを明らかにした。

Single crystalline titanium dioxide (TiO$$_{2}$$) rutile were implanted with 200keV F$$^{+}$$ at a nominal fluence of 1$$times$$10$$^{16}$$ to 1$$times$$10$$^{17}$$ ions cm$$^{-2}$$ and then thermally annealed in air up to 1200$$^{circ}C$$ for 5h. The radiation damage and its recovery during the subsequent annealing were analyzed by Rutherford backscattering spectrometry in channeling geometry and variable-energy positron annihilation spectroscopy. The lattice disorder was completely annealed at 1200$$^{circ}C$$ by the diffusion of point defects to the surface acting as a sink. According to the secondary ion mass spectrometry, the F depth profile was shifted to a shallower region along with the damage recovery, finally producing an F-doped layer where the impurity concentration increased steadily towards the surface. The F doping proved to provide a small modification to the conduction-band edge of TiO$$_{2}$$, as assessed by theoretical band calculations.

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