実験装置 - 加速器

コッククロフト・ワルトン型の電子線加速器であり、加速エネルギーは0.5 ～ 2 MeVの範囲で可変です。120cm幅にスキャンすることで均一に電子線を照射することが可能です。ビーム電流は0.5～10mA程度の範囲で選ぶことが多く、電流を少なくすると1回あたり1x10¹¹ electrons/cm²の照射量となります。電流を多くすると、1日で1x10¹⁷ electrons/cm²程度の照射量となります。2 MeVの電子線の場合、電子線はダイヤモンドを突き抜けます。照射された電子はダイヤモンドを構成する炭素原子をはじき出し、原子空孔が形成されます。窒素（P1センター）を含むダイヤモンドに電子線を照射すると、結晶中に窒素と原子空孔ができます。照射後に熱処理すると窒素（N）と原子空孔（V）が結合してNVセンターが形成できます。

図. 電子線照射装置の図と写真

試料表面の極浅領域（10nm以下）にイオン注入するための装置です。ECRイオン源からのイオンビームを1～10kVという低加速電圧で引出し、質量分析を行った後のイオンビームを照射することができます。XYビームスキャナを備えており、均一なビームが得られています。照射エリアは1.5cmx1.5cm程度です。¹⁴N⁺や¹⁵N⁺イオンを注入することができます。10⁸ ions/cm²から10¹⁴ ions/cm²という幅広いフルエンスで照射が可能です。1日に最大で4条件の注入実験を行うことができます。​

図. テストベンチの全体写真

試料表面の浅い領域（10～数100nm）にイオン注入するための装置です。試料を高温（～1000˚C）にすることが可能で、通常の室温イオン注入よりも照射損傷を抑えながらの注入が可能です。XYビームスキャナを備えており、均一なビームが得られています。ダイヤモンド試料に対しては、¹⁵N⁺イオン、¹⁵N²⁺イオン（分子イオン）、²⁸Si⁺イオン等の室温注入を行っています。また、炭化ケイ素試料に対しては、³¹P⁺イオンや²⁷Al⁺イオン等の注入を行っています。2019年の研究成果の１つに世界で初めてNVセンターの３量子ビット化に成功しました（M. Haruyama, S. Onoda, et al., Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-019-10529-x)。これは、イオン注入器において窒素を複数含む有機化合物イオン(C₅N₄H_n)のイオンビームを注入する技術によるものです。

図. イオン注入器の真空照射容器の写真

図. 800℃に加熱した試料ホルダの写真

軽元素(H, He)の集束イオンビームを用いた粒子線描画(Particle Beam Writing)を行うことが可能です。長焦点レンズを備えた光学顕微鏡を用いて照射位置を決めた後、照射範囲=800 x 800 µm²に12nmの位置精度（ただし、イオンビーム径（FWHM：半値幅）は〜1µm)で照射量を制御(10¹⁰〜10¹⁷ ions/cm²)してイオンを照射します。

図. 炭化ケイ素基板へのH（プロトン）ビームを用いた粒子線描画によって形成された

シリコン空孔の共焦点顕微鏡像。(T. Ohshima, et al., Nano Lett. 2017)より。

試料表面から数µmの深さにイオン注入することが可能な装置です。イオンビームを数µmに集束することが可能で、マイクロビームラインと呼称しています。チョッパーパルスを適切に選択することで、疑似的に単一イオンヒット照射が可能です。照射範囲である300 × 300µm²以内であれば、イオンの個数を制御しながら狙った位置にイオンを照射することが可能です。CR-39（プラスチック飛跡検出器）に対して、マイクロビームを使ってローマ数字や格子を描画した例を図に示します。（2023年5月現在：オーバーホールを実施しているために注入実験は中断しています。）

図. マイクロビーム照射装置の写真。

図. CR-39に重イオンマイクロビームで描画した写真。

試料の奥深く（数十µm）にイオンを打ち込むことが可能です。様々なイオン種・線エネルギー付与を持つイオンを照射することが可能で、¹⁵N³⁺ 56 MeV、²⁰Ne⁴⁺ 75 MeV、⁴⁰Ar⁸⁺ 150 MeV、⁸⁴Kr¹⁷⁺ 322 MeV、¹²⁹Xe²⁵⁺ 454 MeV、¹⁹²Os³⁰⁺ 490 MeVといったビームを照射しています。

図. 真空容器の写真。