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FE-SEM observations of multiple nanohillocks on SrTiO$$_{3}$$ irradiated with swift heavy ions

重イオンビーム照射によってSrTiO$$_{3}$$表面に形成された連続ヒロックのFE-SEM観察

喜多村 茜; 石川 法人; 近藤 啓悦; 藤村 由希; 山本 春也*; 八巻 徹也*

Kitamura, Akane; Ishikawa, Norito; Kondo, Keietsu; Fujimura, Yuki; Yamamoto, Shunya*; Yamaki, Tetsuya*

高速重イオンがセラミックスに真上から入射すると、イオン一つに対してヒロック(ナノメートルサイズの隆起物)が一つ表面に形成される。一方で近年、SHIがチタン酸ストロンチウム(SrTiO$$_{3}$$)や酸化チタン(TiO$$_{2}$$)の表面をかするように入射した場合、表面にはイオンの飛跡に沿って連続的に複数個のヒロックが形成されると報告された。これらは原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察されており、観察結果にはAFMのプローブ寸法由来の測定誤差を含んでいる。そこで本研究では、ヒロックのサイズより十分小さい分解能(1.5nm)を有し、非接触で観察可能な電界放出形走査電子顕微鏡(FE-SEM)を用いて連続ヒロックを観察し、形状の違いを検討した。SrTiO$$_{3}$$はNbを添加することで電気伝導性が発現する。SrTiO$$_{3}$$(100)とNbを0.05wt%添加した単結晶SrTiO$$_{3}$$(100)に対し、350MeVのAuビームを、単結晶表面に対するイオンの入射角が2度以下となるよう照射した。照射後のFE-SEM観察によって、SrTiO$$_{3}$$(100)表面には長さ数百nmにわたって直径20nmのヒロックが連続的に形成されていた一方で、Nbを添加したSrTiO$$_{3}$$(100)表面では、ほぼ同じ長さで凹状に溝が形成されていることがわかった。これらの形状の違いは電気伝導性とそれによる熱伝導性の違いが起因し、イオントラックの温度が融点付近になるSrTiO$$_{3}$$(100)ではヒロックが、昇華温度にまで上昇するNb添加SrTiO$$_{3}$$(100)では溝ができると考えられる。

Swift heavy ions can create nanosized hillocks on the surfaces of various ceramics. When these materials are irradiated with swift heavy ions at normal incidence, each ion impact results in the formation of a single hillock on the surfaces. In contrast, irradiation at grazing incidence forms chains of multiple hillocks on the surface, for example, for strontium titanate (SrTiO$$_{3}$$). So far, chains of multiple hillocks have been investigated using atomic force microscopy (AFM). It should be noted that AFM measurements involve systematic errors of several nanometers due to the finite size of the probe tip. Consequently, it is possible that the image of one hillock may merge with that of a neighboring hillock even if the two hillocks are well separated. In contrast to AFM, field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) is a useful technique for obtaining higher-resolution images. In this study, we observed multiple nanohillocks on the surfaces of SrTiO$$_{3}$$ using FE-SEM. Crystals of SrTiO$$_{3}$$(100) and 0.05 wt% Nb-doped SrTiO$$_{3}$$(100) were irradiated with 350 MeV Xe ions, respectively, at grazing incidence, where the angle between the sample surface and the beam was less than 2$$^{circ}$$. On the SrTiO$$_{3}$$ surface, a chain of periodic nanohillocks is created along the ion path. In contrast, black lines accompanied by hillocks are observed on the Nb-doped SrTiO$$_{3}$$ surface.

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