Well-ordered arranging of Ag nanoparticles in SiO/Si by ion implantation

イオン注入によるSiO/Si中へのAgナノ粒子の生成と規則配列

高廣 克己*; 水口 友貴*; 川口 和弘; 一色 俊之*; 西尾 弘司*; 笹瀬 雅人*; 山本 春也; 西山 文隆*

Takahiro, Katsumi*; Ninakuchi, Yuki*; Kawaguchi, Kazuhiro; Isshiki, Toshiyuki*; Nishio, Koji*; Sasase, Masato*; Yamamoto, Shunya; Nishiyama, Fumitaka*

SiO等の誘電体中に埋め込まれた銀(Ag)等の金属ナノ粒子は、非線形な誘電特性を示すことから非線形光学素子への応用が期待されている。本研究では、イオン注入法を用いてSi基板を熱酸化して形成したSiO層(300nm)注入にAgイオン注入(加速電圧:350keV、照射量:0.37-1.210 ions/cm)を行い、透過電子顕微鏡法,ラザフォード後方散乱法等を用いて、注入後の試料の構造評価を行った。その結果、注入Agイオンの投影飛程に相当する深さ近傍に直径25-40nmの銀ナノ粒子が、SiO/Si界面には直径数nmの銀ナノ粒子が、それぞれ規則的に配列して形成されることがわかった。さらに、X線光電子分光,X線回折の測定結果から、これらのAgナノ粒子は、酸化及び硫化に対して耐性があり1.5年以上その構造が保たれることがわかった。

A nanometer-sized metallic particle embedded in a transparent dielectric exhibits a nonlinear susceptibility, and going to be applied to nonlinear optical devices. In the present study, well-ordered arrangements of Ag nanoparticles have been found for Ag-implanted SiO. Thermally grown SiO on Si were implanted with 350 keV-Ag ions to fluences of 0.37-1.2 10 ions/cm. Cross-sectional transmission electron microscopy and scanning transmission electron microscopy reveal the presence of a two-dimensional array of Ag nanoparticles of 25-40 nm in diameter located at a depth of 130 nm, together with the self-organization of tiny Ag nanoparticles aligned along the SiO/Si interface. X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray diffraction confirm the stability of these Ag nanoparticles embedded in the SiO/Si is found to be stable against oxidation and sulfidation when stored in ambient conditions for more than one and a half year.