Numerical interpretation of hydrogen thermal desorption spectra for iron with hydrogen-enhanced strain-induced vacancies

海老原 健一; 杉山 優理*; 松本 龍介*; 高井 健一*; 鈴土 知明

Metallurgical and Materials Transactions A, 52(1), p.257 - 269, 2021/01

https://doi.org/10.1007/s11661-020-06075-7

応力腐食割れの原因の1つと考えられている水素脆化に関し、近年、材料の変形時に水素により過剰生成した空孔が直接の原因と考える水素助長ひずみ誘起空孔モデルが提案されている。しかし、その定量的考察はあまりなされておらず、誘起空孔の挙動の定量的評価が必要である。このことから、本研究では、水素添加と同時にひずみを与えた純鉄の薄膜試料の水素熱脱離スペクトルを、空孔及び空孔クラスターの挙動を考慮したモデルでシミュレーションした。モデルでは、9個の空孔からなる空孔クラスター()までを考慮し、空孔及び空孔クラスターの水素トラップエネルギーとして、分子静力学で見積もった値を用いた。また、拡散に関するパラメータも原子レベル計算で評価した値を用いた。結果として、モデルは、全体としてスペクトルを再現し、時効処理の温度に対するスペクトルの変化も再現した。一方、実験との2つの特徴的な違いも現れ、その考察から、及びの拡散はモデルより遅いこと、また、水素と共にひずみを与える際に、空孔クラスターも生成されることの可能性が見出された。本モデルは、照射で生成した空孔の挙動の考察にも応用可能と考える。

Atomistic simulation of phosphorus segregation to 3(111) symmetrical tilt grain boundary in -iron

海老原 健一; 鈴土 知明

Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 26(6), p.065005_1 - 065005_10, 2018/09

AA2018-0168.pdf:2.74MB

https://doi.org/10.1088/1361-651X/aace6a

照射誘起粒界リン偏析の見積もりは原子炉圧力容器鋼の脆化を評価する上で重要な要素であるが、粒界へのリン移動の物理的過程は依然として不明である。このことから、分子動力学を用いて3(111)対称傾角粒界へのリン移動を分子動力学シミュレーションによって評価した。結果として、粒界近傍1nmの範囲で、自己格子間原子が粒界に押し出されることで、鉄-リン混合ダンベルのリン原子と八面体格子間リン原子が置換型原子になることを見出した。空孔-リン複合体も解離し、空孔はリン原子を引きずることなく粒界に吸収された。この結果は、従来考えられている偏析プロセスとは異なることから、それについて新しい視点が必要であると示唆している。

Enhanced damage buildup in C-implanted GaN film studied by a monoenergetic positron beam

Li, X. F.*; Chen, Z. Q.*; Liu, C.*; Zhang, H.; 河裾 厚男

Journal of Applied Physics, 117(8), p.085706_1 - 085706_6, 2015/02

https://doi.org/10.1063/1.4913523

280keV炭素イオン注入によりGaN中に導入される損傷を低速陽電子ビームを用いて研究した。陽電子消滅線エネルギースペクトルのドップラー拡がりから、原子空孔クラスターが導入されていることが分かった。800Cのアニールにより、それらはマイクロボイドに成長し、1000Cのアニールでも残留することが明らかになった。透過電子顕微鏡観察の結果、損傷層は非晶質化していることが分かった。GaN中におけるイオン注入によるマイクロボイドの形成と非晶質化は、炭素イオンに特有の現象と考えられる。

Positron study of electron irradiation-induced vacancy defects in SiC

河裾 厚男; 吉川 正人; 伊藤 久義; Krause-Rehberg, R.*; Redmann, F.*; 樋口 高年*; 別役 潔*

Physica B; Condensed Matter, 376-377, p.350 - 353, 2006/04

https://doi.org/10.1016/j.physb.2005.12.090

電子線照射によって立方晶及び六方晶SiC中に生成する原子空孔を陽電子消滅による電子運動量分布測定と理論的解析を通じて同定した結果について報告する。立方晶SiCでは、孤立シリコン空孔が主たる陽電子捕獲サイトであり、格子緩和の効果で陽電子寿命が増加していること、及び局所的な四面体対称性によりその電子運動量分布が説明できることが明らかになった。一方、六方晶SiCでは孤立シリコン空孔が熱回復した後も残留する新たな空孔型欠陥が、c軸に沿って不対電子を有していること、及び炭素1s内殻電子軌道と陽電子の消滅頻度が増加することから、炭素空孔-アンチサイト炭素複合欠陥であることが明らかになった。

Divacancy model for P6/P7 centers in 4H- and 6H-SiC

Son, N. T.*; 梅田 享英*; 磯谷 順一*; Gali, A.*; Bockstedte, M.*; Magnusson, B.*; Ellison, A.*; 森下 憲雄; 大島 武; 伊藤 久義; et al.

Materials Science Forum, 527-529, p.527 - 530, 2006/00

電子常磁性共鳴(EPR)を用いて六方晶炭化ケイ素(4H-, 6H-SiC)中の欠陥センターであるP6/P7の構造同定を行った。試料はn型,p型の4H-及び6H-SiC及び高品質半絶縁4H-SiCを用いた。室温または850Cでの3MeV電子線照射(210110/cm)によりP6/P7センターを導入した。低温(8K及び77K)でのC及びSiの超微細相互作用を調べた結果、P6及びP7センターは、それぞれ、結晶のC軸に垂直または平行なシリコン空孔(V)と炭素空孔(V)の複空孔(V-V)であると決定できた。

Angular correlation of annihilation radiation associated with vacancy defects in electron-irradiated 6 SiC

河裾 厚男; 千葉 利信*; 樋口 高年*

Physical Review B, 71(19), p.193204_1 - 193204_4, 2005/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.193204

2MeV電子線照射した6-SiCを1000Cでアニールした後に残留する原子空孔に付随する電子-陽電子運動量分布を陽電子消滅角相関測定により研究した。その結果、上の原子空孔がc軸に沿った不対電子とc軸周りの対称性を持つことが明らかになった。第一原理計算から、得られた電子運動量分布は孤立炭素空孔,孤立シリコン空孔のいずれのモデルでも説明できないが、炭素空孔-炭素アンチサイト対、又はシリコン空孔-窒素不純物対を考慮することで再現できることが明らかになった。

EPR identification of two types of carbon vacancies in 4-SiC

梅田 享英*; 磯谷 順一*; 森下 憲雄; 大島 武; 神谷 富裕

Physical Review B, 69(12), p.121201_1 - 121201_4, 2004/03

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.121201

六方晶炭化ケイ素(4-SiC)中のEI5及びEI6と呼ばれる欠陥の同定を行った。4-SiCへ3MeV電子線を850Cで照射することでEI5及びEI6を生成させた。これまでEI5は正の電荷を持つ炭素空孔、EI6は正の電荷を持つシリコンアンチサイトと考えられてきたが、Siの超微細相互作用を用いたEPR測定(角度依存性や温度依存性)より、両者ともに正の電荷を持つ炭素空孔であることが同定された。また、その構造の違いはkサイト及びhサイトという対称性のことなる結晶のサイトの違いで説明できる。

Postgrowth annealing on defects in ZnO studied by positron annihilation, X-ray diffraction, rutherford backscattering, cathodoluminescence and hall measurements

Chen, Z. Q.; 山本 春也; 前川 雅樹; 河裾 厚男; Yuan, X. L.*; 関口 隆史*

Journal of Applied Physics, 94(8), p.4807 - 4812, 2003/10

https://doi.org/10.1063/1.1609050

水熱法によって育成された酸化亜鉛の格子欠陥の熱的性質を陽電子消滅,X線回折,ラザフォード後方散乱,カソードルミネッセンス及びホール測定を用いて研究した。陽電子寿命測定により育成直後には亜鉛原子空孔が存在していることが明らかになった。陽電子寿命のアニール挙動から亜鉛亜鉛原子空孔は、600Cの熱処理によって消失することがわかった。X線回折ピーク幅及びラザフォード後方散乱収率も同様に低下することが知られた。1000C以上の熱処理によって陽電子寿命が増加することがわかり、これより亜鉛原子空孔が形成することが示された。しかしながら、X線回折ピーク幅は1000Cの熱処理後もさらに狭くなり、結晶性の向上を示した。自由電子密度は、1200C迄の熱処理で連続的に増加した。この結果は、アクセプターとして作用する亜鉛原子空孔よりも余計にドナーが生成することを示している。カソードルミネッセンス測定の結果、紫外発光強度が熱処理温度とともに増加することがわかった。以上のように、酸化亜鉛の結晶性は600Cから1200Cの育成後熱処理により向上することを判明した。陽電子消滅の結果は、亜鉛原子空孔の消失が、初期の結晶性向上に寄与していることを示している。

Polytype-dependent vacancy annealing studied by positron annihilation

河裾 厚男; 吉川 正人; 前川 雅樹; 伊藤 久義; 千葉 利信*; Redmann, F.*; Rehberg, R. K.*; Weidner, M.*; Frank, T.*; Pensl, G.*

Materials Science Forum, 433-436, p.477 - 480, 2003/08

これまでの研究では、放射線照射によってSiC中に生成する原子空孔の熱アニールに対する挙動が、多形とともにどのように変化するかは、不明であった。そこで、電子線照射及びヘリウムイオン照射した4H,6H及び3C SiCの原子空孔型欠陥を陽電子消滅で捉え、アニール挙動を調べた。また、消滅線の二次元角相関を測定し、六方晶と立方晶SiC中の主要な原子空孔の幾何学的知見を得た。その結果、電子線照射,ヘリウムイオン照射のいずれであっても3C SiC中の原子空孔は、1000以下のアニールで消失するが、4H,6H SiC中のそれは、1500まで残留することが明らかになった。即ち、3C SiC中の放射線照射損は、4H,6H SiCのそれに比べ、低温のアニールで除去できる。原子空孔の残留量は、3C6H4Hの順に増加することがわかり、Hexagonalityが原子空孔を安定化させる要因となることが示唆された。また、3C-SiC中の原子空孔は、単純な四面体対称をもつのに対し、六方晶中のそれは、C軸配向性をもつことが明らかになり、上の推察を裏付けた。

Continuous-wave and pulsed EPR study of the negatively charged silicon vacancy with S=3/2 and C symmetry in -type 4H-SiC

水落 憲和*; 山崎 聡*; 瀧澤 春喜; 森下 憲雄; 大島 武; 伊藤 久義; 磯谷 順一*

Physical Review B, 66(23), p.235202_1 - 235202_12, 2002/12

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.235202

SiC中の固有欠陥の構造を明らかにするために電子線照射したn型4H-SiCの空孔型欠陥をEPR(electron paramagnetic resonance)により調べた。本研究では、S=1と報告されているTセンターについて詳細に調べた。パルスEPRのニューテーション法を用いて測定を行ったところS=1ではなくS=3/2であることが明らかになった。Cの超微細相互作用の解析より、このセンターがシリコン単一空孔に由来することが決定された。また、このセンターは負に帯電し、C対称(C軸方向の炭素と他の3個の炭素とが等価でない歪みを有する)であることも見出された。