疑似核分裂片としてのMeV-C60の核・電子相乗効果によるトラック型欠陥形成

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多くの非金属材料に対して、高速重イオンと呼ばれる数十MeV以上の高エネルギー単原子重イオンを照射すると、イオントラックと呼ばれる円筒形の損傷領域が形成される。しかし例外的にSiなどの半導体ではトラックが形成されないことが知られていた。我々はSiにトラックを形成しない高速重イオンと同程度の電子的阻止能Seを持つC60クラスターイオンで照射したところ、トラックが観測された。従来のモデルではトラック形成はSeのみに依存すると考えられているため、同じSe値でもトラック形成の有無が異なる本結果は新奇性があり、本研究課題の提案・採択に至った。本研究の実施計画では以下の３つのアプローチを取るとした： (1)材料をSiに固定して多様な条件での実験研究、(2)材料をSi以外に拡張した研究、(3)数値計算との比較。2022年度は(1)と(3)の組み合わせで成果が得られた：C60イオンを1～9 MeVの範囲の6つのエネルギーで照射し、形成されるトラック直径のエネルギー依存性を、トラック形成の理論として主流である非弾性熱スパイク理論の計算結果と比較したところ、その一致が非常に良かった。つまり昔から知られていたSiへの単原子高速重イオン照射でトラックが形成されなかったという結果こそが異常であり、理論には考慮されていない効果が含まれていると思われる。核的阻止能効果の関与とトラックの再結晶化等を検討している。さらに(1)に関しては、当初、加速器の都合で最低エネルギーは1 MeVであったが、Siでは1 MeVでもトラックが観測されたので、2022年後半から別の低エネルギー加速器を用いて、1 MeV未満での照射実験を開始した。(2)に関しては、試しにZnOとAlNに照射を行いトラックの観察を試みたが、Siに比べて試料が予想以上に多様な欠陥構造を示し、どれがトラックによるものか判別が難しい状態にある。