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Characterization of epitaxial transformation phenomena induced by the interaction of implanted N-ions with Ti thin films

チタン薄膜にイオン注入された窒素より引き起こされるエピタキシャル構造変態の特性

粕壁 善隆*; 霜田 拓悠*; Chen, Y.*; 山本 春也; 吉川 正人; 藤野 豐*

Kasukabe, Yoshitaka*; Shimoda, Hiroyuki*; Chen, Y.*; Yamamoto, Shunya; Yoshikawa, Masahito; Fujino, Yutaka*

不定比化合物である窒化チタンは、チタンと窒素の組成比によって導電性が大きく変化する。新たな電子材料素材といて期待されている反面、導電性を左右するチタンの窒化物形成過程における原子レベルの結晶構造の変化と結合状態の変化の関係は十分には理解されていない。本研究では、イオン導入型400kV電子顕微鏡を利用して、エピタキシャル成長させたチタン薄膜に窒素注入を行い、その窒化過程を透過電子顕微鏡法でその場観察しながら、電子エネルギー損失分光法(EELS)による評価を行った。得られた結果を分子軌道計算による電子状態の評価と合わせて調べた結果、チタン薄膜にイオン注入された窒素により引き起こされるエピタキシャル構造変態に関して、EELSの解析結果からN/Ti$$sim$$0.25以上の原子数比で窒素が注入されるとチタン副格子の六方最密充填構造(hcp)-面心立方格子構造(fcc)エピタキシャル構造変態が生じるなど、チタンの窒化過程に関して新たな知見か得られた。

Epitaxial transformation phenomena of titanium films due to Nitrogen-implantation have been clarified through in-situ observations by using transmission electron microscope(TEM)and electron energy loss spectroscope (EELS), along with molecular orbital calculations. The N$$^{2+}$$ ions with 62 keV are implanted into as-deposited Ti films which consist of hcp-Ti and TiH$$_{rm x}$$ with preferred orientations, in the 400 kV analytic high resolution TEM combined with ion accelerators at JAEA Takasaki. The result of EELS measurements indicates that the hcp-fcc transformation occurs preferentially above a critical concentration ratio, N/Ti $$sim$$ 0.25. This means that above the N/Ti $$sim$$ 0.25, the invasion of implanted N atom to the N-unoccupied octahedral site in the neighboring unit cell next to the N-occupied one in hcp-Ti occurs preferentially, and induces the growth of nucleus of the hcp-fcc transformation.

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