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論文

Hydrogen removal from hydrogenated diamond-like carbon films by exposure to photon and energetic atomic oxygen beams

横田 久美子*; 田川 雅人*; 松本 康司*; 古山 雄一*; 北村 晃*; 神田 一浩*; 戸出 真由美; 吉越 章隆; 寺岡 有殿

Protection of Materials and Structures from the Space Environment; Astrophysics and Space Science Proceedings, Vol.32, p.531 - 539, 2012/08

Stability of hydrogen in Diamond-like carbon (DLC) film under simulated space environment, i.e., hyperthermal atomic oxygen, vacuum ultraviolet (VUV) and soft X-ray exposures has been studied. Hydrogen in DLC was released by low-energy atomic oxygen beam exposure, whereas the gasification reaction of carbon atom needed collision energy above 3 eV. The desorption process in the deep region required a higher collision energy. The density of hydrogen decreased 11% by atomic oxygen exposure, and was independent of the collision energy. Photon exposure also releases hydrogen from DLC. High-energy photons in soft X-ray promote the hydrogen desorption even from deeper region with high efficiency. It was considered that soft X-ray could release bonded hydrogen which is not released by VUV or atomic oxygen exposures.

論文

Effect of the soft X-rays on highly hydrogenated diamond-like carbon films

神田 一浩*; 横田 久美子*; 田川 雅人*; 戸出 真由美; 寺岡 有殿; 松井 真二*

Japanese Journal of Applied Physics, 50(5), p.055801_1 - 055801_3, 2011/05

ダイヤモンドライクカーボン(DLC)薄膜は軟X線領域のシンクロトロン放射光を照射しながら酸素ガスに曝すとエッチングされることが一般に知られている。最近、高水素化DLC(H-DLC)薄膜に真空中で軟X線放射光を照射すると、水素が脱離して薄膜の密度,硬度,屈折率が増加することが見いだされた。本研究では、異なる三種類の水素濃度のH-DLC試料を用いて、放射光の照射効果を研究した。H-DLC薄膜はSi基板上に200nmの厚さで形成された。それには強度変調ラジオ波プラズマ化学気相成長法を用いた。放射光の照射はニュースバルBL6で行われた。その放射光は1keV以下の軟X線から赤外線までの連続エネルギースペクトルを持っている。水素濃度の放射光照射量依存性は弾性反跳粒子検出法(ERDA)とラザフォード後方散乱法(RBS)で評価された。水素濃度は低水素化DLC薄膜では一定に保たれたが、一方、高水素化DLC薄膜では軟X線照射量に依存して指数関数的に減少することが見いだされた。

論文

Effect of the soft X-rays on highly hydrogenated diamond-like carbon films

神田 一浩*; 横田 久美子*; 田川 雅人*; 戸出 真由美; 寺岡 有殿; 松井 真二*

Japanese Journal of Applied Physics, 50(5), p.055801_1 - 055801_3, 2011/05

 被引用回数:11 パーセンタイル:44.1(Physics, Applied)

The effect of soft X-ray irradiation of diamond-like carbon films in vacuum was investigated using synchrotron radiation (SR). Etching and the desorption of hydrogen upon SR exposure in vacuum occurred in highly hydrogenated diamond-like carbon (H-DLC) films; these processes were not observed in the irradiation of a low-hydrogenated DLC film. The extent of decrease in hydrogen content due to SR exposure was found to decrease with increasing the etching ratio of the H-DLC film. This indicates that hydrogen desorption from the H-DLC films competed with the etching process. Namely, the modified surface, in which hydrogen content was decreased by SR exposure, was immediately removed from the H-DLC film that had a high etching rate.

論文

Synchrotron radiation photoelectron spectroscopy and near-edge X-ray absorption fine structure study on oxidative etching of diamond-like carbon films by hyperthermal atomic oxygen

田川 雅人*; 横田 久美子*; 北村 晃*; 松本 康司*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 神田 一浩*; 新部 正人*

Applied Surface Science, 256(24), p.7678 - 7683, 2010/10

 被引用回数:13 パーセンタイル:50.91(Chemistry, Physical)

超熱原子状酸素ビームに曝した水素化ダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜の表面構造変化を、ラザフォード後方散乱分光(RBS),放射光光電子分光(SR-PES),X線吸収端微細構造解析(NEXAFS)で調べた。DLC表面は酸化され、原子状酸素の高エネルギー衝突でエッチングされることがわかった。RBSとリアルタイム質量損失測定では原子状酸素強度とエッチング量は比例した。SR-PESでは酸化層はDLC膜の最表面に限られることがわかった。NEXAFSからはDLCのsp$$^{2}$$構造が選択的にエッチングされ、sp$$^{3}$$リッチ領域がDLC表面に残ることがわかった。DLC表面にsp$$^{3}$$リッチ領域が生成すると表面荒れが起こり、初期のDLC表面に比べてエロージョン収率が減少することがわかった。

口頭

低軌道宇宙環境における水素化ダイヤモンドライクカーボン薄膜と原子状酸素の反応

田川 雅人*; 横田 久美子*; 松本 康司*; 北村 晃*; 山田 倫子*; 神田 一浩*; 新部 正人*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; Belin, M.*; et al.

no journal, , 

水素化ダイヤモンドライクカーボン(HDLC)の宇宙環境下での原子状酸素による劣化について実験室環境で模擬試験を行った。HDLCはプラズマCVD法でSi基板上に作製した。原子状酸素ビームはレーザーデトネーション法で形成した。表面分析には放射光光電子分光法,ラザフォード後方散乱法,弾性反跳分析法,X線吸収端微細構造分析法を用いた。原子状酸素照射によって酸素の化学結合状態には大きな変化はないが、炭素と水素の濃度が低下した。sp$$^{2}$$/sp3$$^{3}$$比が減少したことからsp$$^{2}$$炭素の選択的エッチングが起こったと解釈した。

口頭

超熱酸素原子線による水素化ダイヤモンドライクカーボン薄膜の選択的エッチング

田川 雅人*; 横田 久美子*; 北村 晃*; 松本 康司*; 山田 倫子*; 神田 一浩*; 新部 正人*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; Belin, M.*; et al.

no journal, , 

宇宙環境下に水素化ダイヤモンドライクカーボン(HDLC)を置いたとき高速の原子状酸素によって材料表面がどの程度劣化するかについて実験室環境で模擬試験を行った。HDLCはプラズマCVD法でSi基板上に作製した。高速の原子状酸素ビームはレーザーデトネーション法で形成した。表面分析には放射光光電子分光法(SRPES),ラザフォード後方散乱法(RBS),弾性反跳分析法(ERDA),X線吸収端微細構造分析法(NEXAFS)を用いた。HDLCに原子状酸素を照射すると、酸素の化学結合状態には大きな変化はないが、炭素と水素の濃度が低下した。sp$$^{2}$$/sp$$^{3}$$比が減少したことから、sp$$^{2}$$状態にある炭素が選択的にエッチングされたと結論した。

口頭

Selective etching of sp$$^{2}$$ carbon in a diamond-like carbon film by hyperthermal atomic oxygen exposures

田川 雅人*; 横田 久美子*; 北村 晃*; 松本 康司*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 神田 一浩*; 新部 正人*

no journal, , 

本研究では水素化ダイヤモンドライクカーボンに超熱原子状酸素ビームを照射して、sp$$^{2}$$/sp$$^{3}$$比の変化をX線吸収端微細構造分光法で調べた。実験は、X線吸収端微細構造分光の測定を放射光施設ニュースバルのBL9で行い、また、ラザフォード後方散乱の実験を神戸大学で、さらに、放射光光電子分光の実験をSPring-8のBL23SUで行った。グラファイトに特徴的なsp$$^{2}$$成分が2eVの超熱原子状酸素ビームで選択的にエッチングされることがわかった。この結果は従来から知られているダイヤモンドよりグラファイトの方が宇宙空間で腐食しやすいという事実と整合する。

口頭

軟X線照射による水素化DLC膜からの水素放出過程

神田 一浩*; 寺岡 有殿; 戸出 真由美; 松井 真二*

no journal, , 

軟X線照射によるダイヤモンドライク炭素(DLC)膜中の改質効果を調べるために、未照射の水素化DLC膜と軟X線照射(300mA$$cdot$$h)した水素化DLC膜の昇温脱離スペクトル(TDS)を測定した。昇温は373Kから1073Kまで87.5K/minの速度で行った。水素分子のTDSでは、未照射の水素化DLC膜で470K付近に大きなピークが観測され、軟X線照射後の試料ではこのピークが見られない。弾性反跳分析によるDLC膜の水素量測定でも300mA$$cdot$$hの照射で水素量は大きな減少を示した。これらの測定から、水素は300mA$$cdot$$hの軟X線照射により脱離すると結論した。

口頭

Effect of vacuum ultraviolet exposure and surface oxide layer on the hydrogen desorption from hydrogenated diamond-like carbon films

田川 雅人*; 横田 久美子*; 古山 雄一*; 神田 一浩*; 戸出 真由美; 吉越 章隆; 寺岡 有殿

no journal, , 

水素化ダイヤモンドライクカーボン(HDLC)薄膜からの水素脱離に関して、真空紫外光と表面酸化膜の効果が調べられた。市販のHDLC基板,外部光源としてニュースバルのBL-6の放射光、及び、D$$_{2}$$ランプが用いられた。金属をドープしたHDLC上に約5eVの並進運動エネルギーを持つ超熱酸素原子ビームを照射することで、厚さが数ナノメーターのSiO$$_{2}$$とTiO$$_{2}$$薄膜が形成された。それを用いて水素脱離に関する酸化膜の効果が調べられた。SiO$$_{2}$$とTiO$$_{2}$$では水素脱離温度に異なる影響を与える効果があることが確認された。

口頭

高水素化DLC膜への真空紫外線照射効果

横田 久美子*; 田川 雅人*; 古山 雄一*; 神田 一浩*; 戸出 真由美; 吉越 章隆; 寺岡 有殿

no journal, , 

本研究では水素含有量54%の高水素化ダイヤモンドライクカーボン(DLC)への真空紫外線照射による水素脱離を評価し、軟X線照射効果と比較した結果について報告する。真空紫外線照射による試料の弾性反跳粒子検出(ERDA)スペクトルから、照射時間の増加とともに表面から0.5ミクロンまでの領域で水素が減少することがわかった。一方、軟X線照射によるERDAスペクトルの変化からは、DLC膜全体にわたって水素の減少が観察され、真空紫外線よりも顕著な水素脱離反応が生じていることがわかった。また、いずれの場合にもDLC膜厚の変化は認められない。これらの結果から、光励起によるDLCの非破壊水素脱離の深さ分布には、波長依存性が顕著に現れることが明らかになった。

口頭

Departure process of hydrogen from highly-hydrogenated diamond-like carbon film by exposure to synchrotron radiation

神田 一浩*; 横田 久美子*; 田川 雅人*; 戸出 真由美; 寺岡 有殿; 松井 真二*

no journal, , 

本研究では、真空中でシンクロトロン放射光を照射することによる高水素化ダイヤモンドライクカーボンからの水素脱離を調べた。放射光の照射はニュースバルのBL-6で行われた。放射光エネルギーは赤外から軟X線の領域で、1keV以下である。DLC薄膜中の水素濃度はラザフォード後方散乱(RBS)と弾性反跳粒子検出(ERDA)で決定した。低水素化DLCの水素濃度は軟X線照射量に依存しなかったが、高水素化DLCでは軟X線照射量に対して指数関数的に減少した。これは高水素化DLCでは軟X線の照射で水素の脱離が起こることを意味している。

口頭

軟X線照射によるDLC膜からの水素脱離過程

神田 一浩*; 田川 雅人*; 横田 久美子*; 戸出 真由美; 寺岡 有殿; 松井 真二*

no journal, , 

本研究では昇温脱離質量分析(TDS)と弾性反跳分析(ERDA)から高水素化DLC膜からの水素の脱離過程について検討した。軟X線の照射はニュースバルのビームラインBL-6で行った。BL-6では赤外から約1000eVまでの白色光が照射される。TDSの測定はSPring-8のBL23Uに設置された昇温脱離測定システムで行った。未照射の水素化DLC膜では470K付近に大きなピークが観測されるが、300mAhrの軟X線照射後はこのピークがほとんど消失する。ERDAにより低水素化DLC膜では水素含有量は軟X線照射で変化しないが、高水素化DLC膜では水素含有量は軟X線照射量に依存して大きく減少することがわかった。TDSで比較的低温で脱離する水素が軟X線照射により脱離し、密度や屈折率の減少を起こすと考えられる。

口頭

Alteration of organic compounds of interstellar origin in the solar system; Simulation experiments on the ground and in space

小林 憲正*; 川本 幸徳*; Sarker, P. K.*; 小野 恵介*; 桑原 秀治*; 大林 由美子*; 金子 竹男*; 三田 肇*; 薮田 ひかる*; 吉田 聡*; et al.

no journal, , 

A wide variety of complex organic compounds including precursors of amino acids have been detected in carbonaceous chondrites and comets. It was suggested that organics in them were formed in quite cold environments, such as interstellar space. Irradiation of frozen mixture of possible interstellar molecules with high-energy particles gave complex amino acid precursors with high molecular weights. Such interstellar complex molecules would be altered by cosmic rays and solar light in proto-solar nebula and interplanetary space before the delivery to the Earth by such extraterrestrial bodies as space dusts. We examined possible alteration of amino acids and their precursors by irradiation with photons and heavy ions. Complex amino acid precursors with high molecular weights could be formed in simulated dense cloud environments, and they were much more stable than free amino acids against radiation. They could have been delivered to the Earth by space dusts. We are planning to collect space dusts and expose amino acids and their precursors in the Japan Experimental Module / Exposed Facility (JEM/EF) of the ISS in the Tanpopo Mission.

口頭

生体関連分子の惑星間環境での安定性の評価; 地上模擬実験と宇宙実験計画

小林 憲正*; 川本 幸徳*; 岡部 拓人*; Sarker, P. K.*; 大林 由美子*; 金子 竹男*; 三田 肇*; 神田 一浩*; 吉田 聡*; 鳴海 一成

no journal, , 

分子雲環境を模した重粒子線照射実験により、模擬星間物質から高分子態アミノ酸前駆体が生成することが確認されている。このような有機物を原始地球上に有機物を届けた媒体としては、彗星などから生じた微小な宇宙塵(惑星間塵)が隕石や彗星よりも重要であったことが示唆されている。惑星間塵は微小であり、その中の有機物は、太陽紫外線や宇宙線に直接曝露されるため、さらに変成を受けると考えられる。しかし、これまで惑星間塵は地球生物圏内で捕集されてはいるが、有機物に関する知見は少ない。本研究では、太陽系星間環境中での有機物の変成と、その有機物のキャラクタリゼーションのため、加速器等を用いた模擬実験を行った。各試料を固相で炭素線照射したものは200kGy照射してもほとんど分解せず、水溶液に照射した場合よりもより高い安定性を示した。溶液の場合、アミノ酸前駆体は遊離アミノ酸よりも安定であった。一方、軟X線照射の場合、イソバリンは40mWhでほぼ分解して0.1%以下になるのに対し、その前駆体は220mWhでも10%以上残存し、高い安定性が示された。

口頭

アミノ酸前駆体の太陽系環境下での変成; 地上実験と宇宙実験による検証

小林 憲正*; 川本 幸徳*; Sarker, P. K.*; 桑原 秀治*; 大林 由美子*; 金子 竹男*; 三田 肇*; 薮田 ひかる*; 吉田 聡*; 鳴海 一成; et al.

no journal, , 

原始地球上に有機物を届けた媒体としては、彗星などから生じた微小な宇宙塵が隕石や彗星よりも重要であったことが示唆されている。惑星間塵は微小であり、その中の有機物は太陽紫外線や宇宙線に直接曝露されるため、さらに変成を受けると考えられる。しかし、これまで惑星間塵は地球生物圏内で捕集されてはいるが、有機物に関する知見は少ない。本研究では、太陽系星間環境中での有機物の変成と、その有機物の性質解析のため、加速器等を用いた模擬実験を行った。試料として、隕石中に多く含まれるアミノ酸のグリシン及びイソバリン、その前駆体候補のヒダントイン及び5-エチル-5-メチルヒダントイン、複雑態アミノ酸前駆体(一酸化炭素・アンモニア・水への陽子線照射生成物)を用いた。これらの水溶液やそれを乾固したものに対し、290MeV/uの炭素線,$$gamma$$線及び軟X線を照射した。各試料を固相で炭素線照射したものは200kGy照射してもほとんど分解せず、水溶液に照射した場合よりもより高い安定性を示した。溶液の場合、アミノ酸前駆体は遊離アミノ酸よりも安定であった。一方、軟X線照射の場合、イソバリンは40mWhでほぼ分解して0.1%以下になるのに対して、その前駆体は220mWhでも10%以上残存し、高い安定性が示された。また、いずれの試料も不溶性生成物を生じた。

口頭

Protection of materials from O-atom collision in low earth orbit using thin oxide film growth in space

横田 久美子*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 神田 一浩*; 古山 雄一*; 松本 康司*; 田川 雅人*

no journal, , 

In this study, the hydrogenated diamond-like carbon (DLC) film was tested as the candidate for the next generation space lubricant. The atomic oxygen (AO) environment in the low Earth orbit (LEO) was achieved in a laboratory by a laser-detonation AO beam source which could provide collision energy as high as 5 eV. Real-time mass-loss measurement and chemical analysis of the surfaces after the hyperthermal AO beam exposure were performed with a quartz crystal microbalance and synchrotron radiation photoelectron spectroscopy at BL23SU in the SPring-8 facilities, respectively. Hydrogen content and sp$$^{2}$$/sp$$^{3}$$ ratio of the DLC were evaluated by an eleatic recoil detection analysis method and a near-edge X-ray absorption fine structure method. Although a non-dope DLC could not be survived by the AO bombardment, a thin SiO$$_{2}$$ layer was formed at an Si-doped DLC surface. It protects the underneath DLC. Hydrogen in the DLC was not affected by the AO bombardment.

口頭

産業用分析ビームライン(BL05)の高度化と成果

長谷川 孝行*; 上村 雅治*; 竹内 和基*; 小高 拓也*; 深田 昇*; 梅咲 則正*; 福島 整*; 寺岡 有殿; 春山 雄一*; 新部 正人*; et al.

no journal, , 

兵庫県立大学放射光施設(ニュースバル)のBL05では産業界の多様な利用ニーズに対応するため、文部科学省の先端研究基盤共用・プラットフォーム形成事業にて、新たな機器の導入とビームラインの改良により様々な高度化を行った。計算結合型二結晶分光器を5Aブランチに設置してEXAFSの測定を可能とした。グローブボックスを設置して可搬型のトランスファーベッセルを開発したことで試料を大気に曝すことなくXAFS測定を行うことが可能になった。Heで大気圧置換することで液体・湿潤試料を蛍光収量法を用いて吸収分光測定できる液体測定試料システムを5Aブランチに設置した。これにより溶液試料でも固体粉末と変わらない分解能で測定が可能となった。他にビームラインの全ての光学素子、スリット、モニターを遠隔で機器制御する改良を行った。

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