イオン注入を利用した二次イオン質量分析法の高感度化への挑戦

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2022年度は、イオン注入による試料の前処理（不純物のドープ）を行うことで、二次イオン質量分析（SIMS）における二次イオンの感度を向上させる試みを行った。具体的には、化学組成が定量されているサンカルロス産オリビンの研磨薄片にセシウムイオンを注入し、オリビンに含まれる微量元素：リチウム・カルシウム・マンガン・クロムなどをSIMSで分析することを計画した。セシウムイオンは金属単体としてはもっとも仕事関数が小さい元素である。注入したセシウムイオンの存在量は、試料中で深さ方向に山なりの分布となる。セシウムイオンの加速電圧と注入量は、SRIMという計算コードを用いたシミュレーションにより、以下の条件を満足するように決定した。すなわち、セシウムイオンのピーク濃度が20 wt%程度、かつ、ピークの表面からの深さが100 nm程度である。イオン注入を行うカンラン石の試料は、2-3 mm程度の大きさのものを選び、樹脂に包埋してからダイヤモンドペーストで0.25マイクロメートルの平滑度まで研磨した。その後、イオン注入時あるいはSIMS分析時の試料表面での帯電を防ぐため、厚さ5 nmのオスミウムコーティングを行った。実際のイオン注入実験は群馬県高崎市・量子応用研究所のイオン注入装置TIARAにて行った。二日間のマシンタイムで、セシウムイオンビームの加速電圧350 kV、電流量500 nA、照射範囲1.5 x 1.5 cm^2、計5時間の照射を行い、ドーズ量はおおよそ2 x 10^16 atoms/cm^2である。残念ながら、マシンタイムの都合により、SIMS分析はまだ行われておらず、二次イオンの感度の評価は行われていない。