レーザーアブレーション・Si超微粒子生成過程の時間分解X線吸収分光法による研究

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ヘリウムガス雰囲気中で固体のシリコンターゲットにYAG レーザー光を照射することで,シリコン粒子が放出され,ナノメートルの程度の大きさのシリコン微粒子(シリコンナノラスター)が生成される.本研究ではその生成手法を確立すること及び生成過程を明確にすることを目的とした.まず,同時にイオン,中性原子,分子,ナノクラスターの検出が可能である時間分解軟X線吸収分光測定を行った.これにより,検出感度のある範囲内では,レーザー光照射後から2マイクロ秒後までの時間域でシリコンイオンやシリコン中性原子のみが存在すること明らとなった.次に時間分解可視発光空間分布測定を行った.発光の最も強い点は,時間と共にターゲットから離れ,ガス雰囲気中では一定の距離の点(最終到達点)で停止する.この最終到達点を各ガス圧の場合について測定した.この結果を踏まえ,最終到達点,それよりターゲットに近い位置,及び遠い位置に基板を設置し,最終生成物を堆積させ,これの原子間力顕微鏡による観察を行った.その結果,最終到着点及びそれより遠い位置に設置した基板上にはナノクラスターが堆積することが明らかとなった.また,その平均粒径は,雰囲気ガスの圧力を500mTorr から20Torr へと増加させると,0.8nmから20nmへと大きくなることが明らかになった.以上の結果から,シリコンナノケラスターは,レーザー光照射により発生したシリコン原子が,雰囲気ガスとの衝突により運動エネルギーを失い,クラスターリングをすることで生成すると考えられる.軟X線吸収測定の結果は,この過程が,2マイクロ秒より遅い時間スケールで進行することを強く示唆している.