レーザー照射中の金属及びシリコンの電気抵抗測定

Measurement of electrical resistance of metals and silicon under laser irradiation

岩元 洋介   ; 若井 栄一  ; 中川 祐貴*; 柴山 環樹*

Iwamoto, Yosuke; Wakai, Eiichi; Nakagawa, Yuki*; Shibayama, Tamaki*

原子力,加速器,航空宇宙等の放射線場において、材料内部の欠陥などの状態を正確に計測できる新たな非破壊検査技術の構築が期待されている。本研究では、北海道大学大学院工学研究院付属複合量子ビーム超高圧顕微解析研究室のパルスレーザー(20Hz)を用いて、レーザー照射中における直径250mの銅,アルミニウム、及びニオブの金属ワイヤー、及び厚さ400mのシリコン板の電気抵抗の時間変化を測定した。また、得られた電気抵抗率の増加値から、レーザーが電子励起等の作用によって原子を弾き出したと仮定した条件で、原子空孔と格子間原子のフレンケル対の生成数、及び転位が形成した場合の数密度を推定した。試料の電気抵抗は、熱起電力を減らすことが可能な、ケースレー社製2182A型ナノボルトメータと6221型電流源のデルタモードを活用した4端子法を用いて測定した。本実験から、金属は照射量の増加に伴い、物質内部に形成される欠陥量の増加が推定された。一方、シリコンでは、レーザー照射による価電子帯への電子遷移により、電気抵抗率は減少することがわかった。今後、微小硬さ測定,微細組織観察,シミュレーション等を進め、その詳細なメカニズムを明らかにしていく。

In order to develop a new non-destructive inspection technique to accurately measure defects inside materials in radiation fields such as nuclear power plants, accelerators, and aerospace, we have measured the time evolution of electrical resistivity of copper, aluminum, and niobium metal wires and silicon plates by irradiating a pulsed laser beam (20 Hz) at Hokkaido University. From the obtained increase in electrical resistivity, the number of atomic vacancies and Frenkel pairs (FPs) of interstitial atoms and the dislocation density of the formed FPs were estimated, assuming that the atoms were ejected by the laser due to electronic excitation. From this experiment, it was estimated that for metals, the amount of defects formed inside the material increased with the increase in the irradiation dose. On the other hand, for silicon, the electrical resistivity was found to decrease due to the electronic transition to the valence band caused by laser irradiation.