Modification of oxide materials by irradiation with high-energy heavy ions

高速重イオン照射による酸化物材料改質

石川 法人   

Ishikawa, Norito

高速重イオンを酸化物に照射すると、電子系への高密度エネルギー伝達を介して欠陥が生成される。この欠陥生成プロセスは、電子励起効果と呼ばれる。従来は、この電子励起効果は電子的阻止能(電子系への伝達エネルギー密度)によって決定されるとされてきたが、本研究の広いエネルギー範囲(100MeV-数GeV)の系統的なイオン照射実験により、電子的阻止能だけでは説明できないエネルギー領域が存在することが明らかになった。さらに、電子的阻止能に代わる代替パラメータとして、電離断面積を提案し、すべてのデータをよく説明できることを実験的に示した。この成果は、電子励起効果を高精度に予測・制御することに大きく寄与する。さらに、高速クラスター(30MeV C)を酸化物に照射すると、電子励起効果により平均直径が比較的大きい20nmの柱状の欠陥集合体(イオントラック)を形成することを見いだし、また単原子イオン照射では報告例の無い独特の欠陥形態を呈することを同時に示した。この成果は、クラスター照射が、実際に高密度エネルギー伝達に伴う新現象を実現する手段として有効だということを実験的に示したという意義がある。

When oxide materials are irradiated with high-energy heavy ions, defects are created via high-density electronic energy deposition. This defect creation process is called the electronic excitation effect. The effect has been believed to be determined by the electronic stopping power which is defined as the line density of electronic energy transfer. However, by the present systematic experiment of irradiation with wide range of energy (100MeV-several GeV), we find that there exist the energy range in which electronic stopping power does not work as a scaling parameter. Moreover, we proposed the ionization density as an alternative scaling parameter, and demonstrated that all the data scale well with the ionization density. This result contributes to precise prediction and controlling of the electronic excitation effect. We have found that large-sized defect clusters with the characteristic size of 20nm are formed due to the electronic excitation effect when high-energy cluster beam (30MeV C) is irradiated to oxide. Furthermore, we have also found that the defect clusters have unique defect structure which has never been found by monoatomic ion irradiation. This result is important in a sense that the cluster beam irradiation is actually a very effective method to realize new phenomena due to high-density energy transfer.