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論文

Enhancement of SiO$$_{2}$$/Si(001) interfacial oxidation induced by thermal strain during rapid thermal oxidation

小川 修一*; Tang, J.*; 吉越 章隆; 石塚 眞治*; 高桑 雄二*

Journal of Chemical Physics, 145(11), p.114701_1 - 114701_7, 2016/09

 被引用回数:3 パーセンタイル:12.69(Chemistry, Physical)

Si(001)表面の熱酸化プロセスにおいて界面に生じる歪が酸化促進を促すことを、高輝度・高エネルギー分解能放射光光電子分光によるその場観察から明らかにした。点欠陥生成を介した統合Si酸化反応モデルの有用性を示す結果を得ることに成功した。

論文

Valence-band electronic structure evolution of graphene oxide upon thermal annealing for optoelectronics

山口 尚人*; 小川 修一*; 渡辺 大輝*; 穂積 英彬*; Gao, Y.*; 江田 剛輝*; Mattevi, C.*; 藤田 武志*; 吉越 章隆; 石塚 眞治*; et al.

Physica Status Solidi (A), 213(9), p.2380 - 2386, 2016/09

 被引用回数:10 パーセンタイル:49.68(Materials Science, Multidisciplinary)

本論文では加熱による酸化グラフェンの還元過程について報告する。酸化グラフェンにおいて酸素官能基の修飾度合いは加熱温度により制御できるため、加熱温度による価電子帯構造の変化をリアルタイム光電子分光で調べた。600$$^{circ}$$C以上の加熱により、フェルミ準位近傍の状態密度の顕著な増加が確認された。この結果は、600$$^{circ}$$Cにおいてバンドギャップが存在する酸化グラフェンからギャップが存在しない酸化グラフェンへと変化したことを示している。この成果は酸化グラフェンの光電子工学への応用を期待させるものである。

論文

Self-accelerating oxidation on Si(111)7$$times$$7 surfaces studied by real-time photoelectron spectroscopy

Tang, J.*; 西本 究*; 小川 修一*; 吉越 章隆; 石塚 眞治*; 渡辺 大輝*; 寺岡 有殿; 高桑 雄二*

Surface and Interface Analysis, 46(12-13), p.1147 - 1150, 2014/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:2.16(Chemistry, Physical)

Long-time oxidation on Si(111)7$$times$$7 surfaces at room temperature has been investigated by real-time photoelectron spectroscopy to clarify the mechanism of the interface oxidation. It is found that the oxidation mode gradually transformed from oxygen adsorption on the Si(111)7$$times$$7 surface in the initial stage to SiO$$_{2}$$ amorphous-like oxidation on the Si(001)2$$times$$1 surface in the interface oxidation. The self-accelerating oxidation with a significant increase of oxidation rate occurred during the interface oxidation on the Si(111)7$$times$$7 surface, where the strained Si atoms were obviously generated at the SiO$$_{2}$$/Si interface. The strains generated at interface layers induce the emission of Si atoms from the interface when strain is over a critical value, which contributes to the interface oxidation due to the reaction activities of both the vacancy sites and emitted Si atoms.

論文

Graphene growth and carbon diffusion process during vacuum heating on Cu(111)/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ substrates

小川 修一*; 山田 貴壽*; 石塚 眞治*; 吉越 章隆; 長谷川 雅考*; 寺岡 有殿; 高桑 雄二*

Japanese Journal of Applied Physics, 52(11), p.110122_1 - 110122_8, 2013/11

 被引用回数:17 パーセンタイル:61.53(Physics, Applied)

In this study, behavior of carbon atoms in annealing/cooling process of graphene/Cu(111) substrates is investigated using photoelectron spectroscopy and secondary ion mass spectrometry. After growth of graphene on Cu(111) surfaces, Cu$$_{2}$$O was formed at the graphene/Cu interface during transportation through the atmosphere. The Cu$$_{2}$$O layer completely disappeared by vacuum annealing at 773 K. Graphene was decomposed and carbon atoms diffuse into the Cu substrate by elevation of temperature up to 1223 K. When the sample was cooled down, the carbon atoms did not segregate on the surface and remain in the Cu substrate. This result indicates the carbon atoms easily diffuse into Cu substrates in vacuum annealing while the amount of diffused carbon atoms in the chemical vapor deposition (CVD) process is smaller, suggesting that the barrier layer which prevents from the diffusion of C atoms exists on Cu surfaces at the graphene CVD growth.

論文

Relation between oxidation rate and oxidation-induced strain at SiO$$_{2}$$/Si(001) interfaces during thermal oxidation

小川 修一*; Tang, J.*; 吉越 章隆; 石塚 眞治*; 寺岡 有殿; 高桑 雄二*

Japanese Journal of Applied Physics, 52(11), p.110128_1 - 110128_7, 2013/11

 被引用回数:12 パーセンタイル:44.21(Physics, Applied)

To verify experimentally the Si oxidation reaction model mediated by point defect (emitted Si atoms and its vacancies) generation due to the oxidation-induced strain, real-time photoelectron spectroscopy using synchrotron radiation was employed to evaluate simultaneously the amount of oxidation-induced strained Si atoms at the SiO$$_{2}$$/Si interface, oxidation states, and oxidation rate during oxidation on n-type Si(001) surfaces with O$$_{2}$$ gas. It is found that the both of the oxidation rate and amount of strained Si atoms at the completion of first oxide layer growth decrease gradually with raising temperature from 573 K to 873 K, where the oxide grows in the Langmuir-type adsorption manner. It is found that the interface strain and oxidation rate have strong correlation.

論文

SiO desorption kinetics of Si(111) surface oxidation studied by real-time photoelectron spectroscopy

Tang, J.*; 西本 究*; 小川 修一*; 吉越 章隆; 石塚 眞治*; 渡辺 大輝*; 寺岡 有殿; 高桑 雄二*

e-Journal of Surface Science and Nanotechnology (Internet), 11, p.116 - 121, 2013/11

The kinetics of the initial oxide growth on the Si(111) surface have been investigated using real-time photoelectron spectroscopy and density functional theory calculations. Including SiO desorption into the description of the transition from Langmuir-type adsorption to two-dimensional oxide island growth reveals that oxidation at high temperature and low oxygen pressure is not governed by 2D oxide island growth despite sigmoidal oxygen uptake curves. Because SiO desorption during the initial oxide growth depends strongly on temperature and oxide coverage in the transition region, an initial oxidation model for the transition region is proposed. According to O$$_{2}$$-pressure dependent experimental results and theoretical calculations, the SiO desorption is due to the formation of the transition state tri-ins$$times$$2 species, SiO desorption during the initial oxidation is suppressed by the most thermally stable oxygen adsorption species tri-ins$$times$$3 formed on Si(111)7$$times$$7.

論文

Rehearsal and actual measurement of Fugen spent fuel assemblies by integrated PNAR and SINRD under the JAEA-USDOE collaboration program

林 健太; 中村 孝久; 高城 久承; 堀江 薫; 中山 保; 橋本 和彦; 林 省一; 中村 信二; 竹中 茂樹; 石塚 信男; et al.

Proceedings of INMM 54th Annual Meeting (CD-ROM), 10 Pages, 2013/07

新型転換炉ふげんは福井県敦賀市にある重水減速沸騰軽水冷却型原子炉の原型炉である。ふげんは2003年3月に運転を終了し、現在は廃止措置(解体)段階にあるが、その使用済燃料貯蔵プールにはMOX及びUO$$_{2}$$の使用済燃料が存在する。ふげんは原型炉であることから、使用済燃料貯蔵プールでの燃料取扱には柔軟性があり、使用済燃料にかかわる各種の測定試験を行うことができる。そのような特徴を活かして、JAEAとU.S.DOE(LANL)は、統合PNAR・SINRD装置によるPu量の非破壊測定試験を2013年6月末より実施する。本発表では、JAEA/USDOE共同研究PAS24において、ふげんで実施したPu-NDA装置(統合PNAR+SINRD)によるふげん使用済燃料の実測定及び、事前に実施したリハーサルの試験結果等について報告する。

論文

Nonlinear O$$_{2}$$ pressure dependence of the initial oxide growth kinetics on Si(111) surfaces; Photoelectron spectroscopy observation and molecular orbital calculation of oxidation states

Tang, J.*; 西本 究*; 小川 修一*; 吉越 章隆; 石塚 眞治*; 渡辺 大輝*; 寺岡 有殿; 高桑 雄二*

第18回ゲートスタック研究会予稿集, p.191 - 194, 2013/01

Oxygen pressure dependence of the initial oxide growth kinetics on Si(111)- 7$$times$$7 surfaces has been investigated by real-time photoelectron spectroscopy and molecular orbital (MO) calculations. A nonlinear relationship between initial oxidation rate and oxygen pressure $$P$$$$_{rm O2}$$ was found, which is quite different from the linear results on Si(001)-27$$times$$71 surfaces. It was also observed that a larger amount of oxygen adsorption species ${it tri-ins}$ $$times$$3 were formed in the Si(111)-7$$times$$7 subsurface at higher $$P$$$$_{rm O2}$$ leading to an obstacle for the diffusion of O atoms into Si bulk due to its high potential energy barrier. Further a reaction path of oxygen adsorption states on Si(111)- 7$$times$$7 surfaces at room temperature was proposed based on the experimental and theoretical calculation results.

論文

Vacuum annealing formation of graphene on diamond C(111) surfaces studied by real-time photoelectron spectroscopy

小川 修一*; 山田 貴壽*; 石塚 眞治*; 吉越 章隆; 長谷川 雅考*; 寺岡 有殿; 高桑 雄二*

Japanese Journal of Applied Physics, 51(11), p.11PF02_1 - 11PF02_7, 2012/11

 被引用回数:25 パーセンタイル:72.24(Physics, Applied)

To clarify the graphene formation process on a diamond C(111) surface, changes in the chemical bonding states by annealing in vacuum were investigated by photoelectron spectroscopy using synchrotron radiation. It is difficult to study the formation of sp$$_{2}$$-bonded carbon atoms on a diamond C(111) surface because the peak of the sp$$_{2}$$ component overlaps the peak of the surface sp$$_{3}$$ component as a result of the 2$$times$$1 reconstruction. Therefore, we focused on the shift in the C 1s photoelectron spectra and energy loss spectra caused by band bending depending on the temperature. As a result, we found that graphitization on the diamond C(111) surface began at approximately 1120 K, which was lower than that for an SiC substrate. The photoelectron spectra indicated that a buffer layer composed of sp$$_{2}$$-bonded carbon atoms existed at the interface between the graphene and diamond C(111) surface.

論文

リアルタイム光電子分光によるグラフェン・オン・ダイヤモンド形成過程の観察

小川 修一*; 山田 貴壽*; 石塚 眞治*; 渡辺 大輝*; 吉越 章隆; 長谷川 雅考*; 寺岡 有殿; 高桑 雄二*

表面科学, 33(8), p.449 - 454, 2012/08

絶縁膜上グラフェンの形成は次世代カーボントランジスタ作製に不可欠である。グラフェンの下地絶縁膜として、バンドギャップや絶縁破壊電圧がSiCよりも大きいダイヤモンドが注目されているが、非破壊でダイヤモンド表面のグラフェン形成を評価することが難しいため、ダイヤモンド表面におけるグラフェン形成過程は未だ明らかになっていない。そこで本研究ではバンドベンディングによる光電子スペクトルのシフトに着目し、グラフェン形成過程を調べた。その結果、ダイヤモンドC(111)表面のグラファイト化は約1120K以上で進行することがわかった。この温度はSiC(0001)表面におけるグラフェン形成温度よりも低温である。また、グラフェン/ダイヤモンド界面には遷移層が存在することが確認された。

論文

Si$$_{1-x}$$Ge$$_{x}$$合金層における酸化誘起Ge濃縮過程; リアルタイム光電子分光による解明

小川 修一*; 穂積 英彬*; 吉越 章隆; 石塚 眞治*; 加賀 利瑛*; 寺岡 有殿; 高桑 雄二*

応用物理学会薄膜・表面物理分科会/シリコンテクノロジー分科会共催特別研究会研究報告, p.67 - 70, 2011/01

Si$$_{1-x}$$Ge$$_{x}$$合金層の酸化によって加速されるGe原子の濃縮速度について、放射光を用いたリアルタイム光電子分光によって調べた。Si$$_{1-x}$$Ge$$_{x}$$合金層はp型Si(001)基板上にGe蒸着で形成し、その合金層をラングミュア型吸着条件で酸化した。773Kでの酸化ではGe原子は酸化されず、SiO$$_{2}$$層のみがSi$$_{1-x}$$Ge$$_{x}$$合金層上に形成された。さらに、GeO分子の脱離は起こらなかった。一方で、室温ではSi原子ばかりでなくGe原子も酸化された。この違いは点欠陥発生を伴う統合酸化モデルで説明できる。すなわち、773Kでは多くの欠陥がSi$$_{1-x}$$Ge$$_{x}$$合金層の酸化中に発生し、Ge原子がこれらの欠陥を通して拡散すると示唆される。

論文

Si$$_{1-x}$$C$$_{x}$$合金層/Si(001)表面における酸化誘起炭素拡散; 酸化膜成長とエッチング条件での比較

穂積 英彬*; 小川 修一*; 吉越 章隆; 石塚 眞治*; Harries, J.; 寺岡 有殿; 高桑 雄二*

応用物理学会薄膜・表面物理分科会/シリコンテクノロジー分科会共催特別研究会研究報告, p.181 - 184, 2010/01

Si$$_{1-x}$$C$$_{x}$$合金層の酸化過程を調べるため、p型Si(001)表面にC$$_{2}$$H$$_{4}$$を曝露することにより形成したSi$$_{1-x}$$C$$_{x}$$合金層の酸化過程をリアルタイムXPSで調べた。実験はSPring-8のBL23SUの表面化学反応解析装置で行った。ラングミュア型吸着(773K)では、炭素原子は酸化されずSiO$$_{2}$$/Si界面で濃縮されるため、酸化誘起歪みによってC原子が拡散することがわかった。一方、二次元島成長(933K)では、SiO脱離によって酸化開始後6000sで表面が約38層エッチングされたにもかかわらず炭素濃度は20%程度しか減少しなかったことから、SiO脱離においてC原子拡散の促進が示唆された。

論文

Real-time photoelectron spectroscopy study of 3C-SiC nucleation and growth on Si(001) surface by carbonization with ethylene

穂積 英彬*; 小川 修一*; 吉越 章隆; 石塚 眞治*; Harries, J.; 寺岡 有殿; 高桑 雄二*

JSPS 141 Committee Activity Report, p.317 - 322, 2009/12

Si(001)表面へのC$$_{2}$$H$$_{4}$$曝露による3C-SiC合金層形成において核発生までに時間遅れが存在する。この時間遅れではSi$$_{1-x}$$C$$_{x}$$合金層が形成されるが、その化学結合状態の変化は未だ明らかになっていない。そこで、3C-SiC合金層形成過程を明らかにするため、Si(001)基板の炭化反応過程をリアルタイムXPSで観察した。実験はSPring-8のBL23SUの表面化学反応解析装置にて行った。C1sのピーク分離からSiCの核発生は約8000sとわかり、このときのC1s, Si2p光電子強度から臨界炭素濃度は17%であると求まった。

論文

Si(001) surface layer-by-layer oxidation studied by real-time photoelectron spectroscopy using synchrotron radiation

小川 修一*; 吉越 章隆; 石塚 眞治*; 寺岡 有殿; 高桑 雄二*

Japanese Journal of Applied Physics, Part 1, 46(5B), p.3244 - 3254, 2007/05

 被引用回数:27 パーセンタイル:70.37(Physics, Applied)

本研究ではSi(001)表面のレイヤーバイレイヤー酸化に関してリアルタイム光電子分光法による実験的な研究を行った。酸素吸着に伴う酸化誘起のミッドギャップ状態に起因するバンド曲がりの変化や酸化状態の変化が観測された。酸化実験はSPring-8のBL23SUに設置されている表面反応分析装置(SUREAC2000)を使って行われた。O1sとSi2p内殻準位の光電子スペクトルをそれぞれ24秒及び65秒ごとに交互に測定した。それらのピークに対してカーブフィッティング解析を行ってそれぞれ二つ及び七つの成分が見いだされた。各々の酸化状態の変化に基づいて、レイヤーバイレイヤー酸化の最中のSi原子放出のキネティクスが議論される。

論文

超音速酸素分子ビームによる並進運動エネルギー誘起Ti(0001)表面酸化反応

小川 修一*; 高桑 雄二*; 石塚 眞治*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 盛谷 浩右*; 水野 善之*

電気学会論文誌,C, 127(2), p.140 - 145, 2007/02

酸素分子が室温のTi(0001)-1$$times$$1表面に吸着するときの初期吸着確率を並進運動エネルギーの関数としてリアルタイム光電子分光法で測定した。O 1s光電子スペクトルは三つの成分(A, B, C)でよくフィッティングできた。成分Aの結合エネルギーは528.8eVであり、成分BとCはそれからそれぞれ+0.7eV, +1.6eVシフトしている。酸素ビームを照射していくと成分AとCがおもに現れて、成分Bは潜在時間を置いて後に現れてくる。これは二種類の化学吸着状態が初期に形成されることを意味している。初期吸着確率の入射エネルギー依存性は成分AとCで大きく異なることがわかった。すなわち、成分Cの初期吸着確率は入射エネルギーとともに単調に減少し、0.5eV以上ではほぼ一定であるが、成分Aのそれは0.5eVまで急激に減少し、その後、緩やかに増加して再び減少し、0.9eVと1.8eVで極大を示した。成分AとCで観察された初期吸着確率の入射エネルギー依存性は物理吸着状態を経た解離吸着や直接的な解離吸着と解釈された。

論文

超音速窒素分子ビームを用いたTi(0001)表面窒化反応のリアルタイム光電子分光観察

小川 修一*; 高桑 雄二*; 石塚 眞治*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 水野 善之*

真空, 49(12), p.775 - 779, 2006/12

Ti(0001)-1$$times$$1表面を超音速窒素分子ビームで窒化し、リアルタイム光電子分光法で吸着反応ダイナミクスを調べた。調べたすべての窒素供給量において、N1s内殻準位の光電子スペクトルは二つの化学シフトした成分から成り立ち、その結合エネルギーは396.9と396.6eVである。その二つの成分で初期吸着確率はともに入射エネルギーに対して減少傾向を示した。ただし、0.3eVと1.5eVに極小がみられた。そのような入射エネルギー依存性は二つの成分の化学結合状態が類似していることを表している。0.3eV以下では物理吸着状態を経由した吸着過程、0.3eV以上では活性化吸着がおもに起こると考えられる。

論文

Consumption kinetics of Si atoms during growth and decomposition of very thin oxide on Si(001) surfaces

小川 修一*; 吉越 章隆; 石塚 眞治*; 寺岡 有殿; 高桑 雄二*

Thin Solid Films, 508(1-2), p.169 - 174, 2006/06

 被引用回数:12 パーセンタイル:50.74(Materials Science, Multidisciplinary)

Si(001)表面極薄酸化膜の成長とその後の分解過程における表面凹凸の変化をオージェ電子分光(AES)機能の付随した高速電子線回折(RHEED)で実時間観察し、さらに、走査トンネル顕微鏡(STM)で巨視的に観察した。RHEED観察から、690$$^{circ}$$Cでの二次元島成長モードでは表面のエッチングがシリコンの核化とその二量体の欠陥の横広がりで起こることが明らかになった。一方で、酸化膜は709$$^{circ}$$Cでは分解し、ステップフローモードでSi原子が消費される。しかし、酸化膜が一部分解した表面のSTM像ではステップフローエッチングではなく、ボイドの中の平坦なテラスに直径が10-20オングストロームのSi島が多く見られた。これらの結果はSiクラスターとSiO$$_{2}$$の中間的な二次元島成長でできたSiリッチな酸化膜の相分離とその分解過程におけるテラス上でのSiの析出を意味している。

論文

SiとTi表面での極薄酸化膜形成のリアルタイム表面分析

高桑 雄二*; 小川 修一*; 石塚 眞治*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿

Journal of Surface Analysis, 13(1), p.36 - 84, 2006/04

本稿では、SiとTi表面での酸化反応をリアルタイム観察するために開発した表面分析法を用いた最近の研究成果を紹介する。酸素吸着曲線,酸化状態,酸化膜厚,酸化膜の表面構造・形態,電子状態の時間発展から極薄酸化膜形成過程を調べるために、オージェ電子分光, 反射高速電子回折(RHEED-AES), 放射光内殻光電子分光(SR-XPS), He-I共鳴線を用いた価電子帯光電子分光(UPS)をリアルタイム表面分析に用いた。RHEED-AESによりSi酸化反応中に酸素吸着速度とエッチング速度を同時に求め、さらに、酸化の体積膨張に伴うSi原子放出を観察した。Ti(0001)表面酸化のRHEED-AES観察では、酸化膜がエピタキシャル成長し、酸素吸着曲線の変化に対応して酸化膜の表面形態が周期的に変化することを明らかにした。O1s, Si2p, Ti2p光電子スペクトルにおいて化学シフトが明瞭に観察され、SR-XPSを用いて酸化状態と酸化膜厚の時間変化を追跡した。UPSは価電子帯の状態密度だけでなく、欠陥準位によるバンドベンディングと仕事関数の情報を酸素吸着曲線と一緒に得るために有用である。

論文

高輝度・高分解能放射光で見えてきた表面化学反応ダイナミクス; 超音速O$$_{2}$$分子線で誘起される表面酸化反応のその場光電子分光

寺岡 有殿; 吉越 章隆; 盛谷 浩右; 高桑 雄二*; 小川 修一*; 石塚 眞治*; 岡田 美智雄*; 福山 哲也*; 笠井 俊夫*

放射光, 18(5), p.298 - 309, 2005/09

SPring-8の原研軟X線ビームラインの表面化学実験ステーションを活用して行われてきた表面酸化反応ダイナミクスに関する研究の中から代表的な成果について解説した。原研の独自研究からSi(001)表面の高温酸化の際にSiO分子が脱離する反応機構について解説した。大阪大学との協力研究からは、Cuの酸化反応ダイナミクスにおいて衝突誘起原子吸収が起こることを紹介した。東北大学との協力研究からは、Ti(0001)の酸化反応ダイナミクスにおいて初期吸着確率に二つのエネルギーピークが観測され、解離吸着のポテンシャルエネルギー障壁であることを紹介した。

論文

リアルタイム光電子分光によるTi(0001)表面酸化反応の観察

高桑 雄二*; 小川 修一*; 石塚 眞治*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿

触媒, 47(5), p.352 - 357, 2005/08

Ti(0001)表面酸化反応を高輝度放射光とHe-I共鳴線を用いた光電子分光でリアルタイムモニタリングした。Ti2pとO1s内殻準位,価電子帯の光電子スペクトルから求めた酸素吸着量,酸化状態,酸化膜厚,電子状態,仕事関数の時間発展から解明した酸素吸着モデルと極薄酸化膜形成過程について解説した。

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