Cathodoluminescence induced in oxides by high-energy electrons; Effects of beam flux, electron energy, and temperature

高エネルギー電子による酸化物のカソードルミネッセンス; ビームフラックス, 電子エネルギー, 温度の影響

Constantini, J.-M.*; 小川 達彦   ; Bhuian, A. S. I.*; 安田 和弘*

Constantini, J.-M.*; Ogawa, Tatsuhiko; Bhuian, A. S. I.*; Yasuda, Kazuhiro*

カソードルミネッセンスは結晶中の格子欠陥の検知に利用されており、特に酸化物材料で電子線照射による酸素原子欠陥の定量に多くの適用例がある。しかし、カソードルミネッセンスが試料温度、入射電子のフラックス、エネルギーの各影響因子にどのように依存するかは明らかでなく、測定結果の定量的な解釈の妨げとなっていた。本研究では、単結晶のAlO, ZrO:Y(イットリウム安定化ジルコニア), MgAlO, TiOの4試料に400-1250keVの電子線を照射して酸素原子欠陥を作り、光ファイバープローブとCCDを組み合わせた検出器でカソードルミネッセンスに由来する発光を観測した。試料温度に対する発光強度の依存性はキャリアのトラッピング頻度と蛍光効率が影響し、入射電子フラックスに対しては、蛍光センターの生成・消滅速度に依存することを明らかにした。入射電子エネルギーに対する依存性について、放射線輸送計算コードPHITSで二次電子線エネルギースペクトルを計算したところ、欠陥生成に有効なエネルギー範囲の二次電子生成量によって説明できることが明らかになった。

Cathodo-luminescence is used for detection of lattice defects, in particular oxygen vacancies in ceramics induced by electrons. However, how oxygen vacancy production efficiency depends on sample temperature, incoming electron flux, and electron energy was not clear. In this study, oxygen vacancies were made in the specimens of AlO, ZrO:Y(Yttrium stabilized zirconia), MgAlO, and TiO by irradiation of 400-1250keV electrons and the cathodoluminescence from thus induced vacancies were observed by photo-fiber probe combined with CCD. As the result, the dependence of luminescence intensity on specimen temperature depends on the carrier trapping frequency and luminescence efficiency while luminescence center production/annihilation speed determines the dependency on the incoming electron flux. Moreover, radiation transport calculation conducted by the particle transport simulation code PHITS indicates that the number of electrons above the defect production threshold energy is vital to explain incoming electron energy dependence.