9.1　イオン注入で作る
原子でできた玉ねぎ：カーボンオニオン
　


図9-1　 加速器結合型電子顕微鏡

中央部が電子顕微鏡、その手前にはイオン注入器からのビームライン、奥には40 kVイオン照射装置が配置され、同時に最大2種類のイオンビームを電子顕微鏡内部に導入することができます。電子顕微鏡内部にはそれぞれのビームラインごとに静電プリズムが据え付けられ、試料に60度の角度からイオンが入射するようになっています。この装置を利用することでイオン照射に伴う組織変化をリアルタイムで観察・分析することができます。


図9-2a　 700℃で銅に100 keV炭素イオンを5×1017 C/cm2注入して得られたカーボンオニオンとカプセルの電子顕微鏡像

注入温度や基板および注入量を調整することで2 nmから150 nm程度の範囲でサイズを制御することができます。

図9-2b　 カーボンオニオンの高分解能電子顕微鏡像

黒い曲線がグラフェンの各層に対応します。矢印で示された部位は積層の不整合な場所を示しています。


金属やセラミックス、半導体といった無機物質では、原子は三次元的に規則的に並んでいて、言い換えれば原子からなる平面を積み重ねたものです。では、その面が球面、それも球面の入れ子構造（ロシア民芸品のマトリョーシカのようなもの）をとった物質はどんなものなのでしょう？
私たちは図9-1に示すようなイオン加速器と電子顕微鏡とを結合した装置を作製し、イオン注入を行いながら電子顕微鏡法で同時観察する手法を用いてこのような物質を作り出すことに成功しました。この物質は、炭素原子から構成されたグラフェン（炭素の六員環が並んでできる面、黒鉛の構成要素）が同心球状の入れ子構造をとっています。原子の数にして103から108個程度からできた、ナノメータレベルのボールです（図9-2a）。この物質は図9-2bに示すように、高分解能電子顕微鏡法では玉ねぎを輪切りにしたようなコントラストとして観察され、それゆえカーボンオニオンと名付けられています。オニオンの中心はフラーレンであると考えられています。また、多結晶銅へのイオン注入によって、中心部が空洞となっているナノカプセル構造の物質を初めて見つけることができました。同時観察の結果、私たちはオニオンの核形成の瞬間を捕らえることにも成功し、サイズや形状を制御する条件などを明らかにしました。
カーボンオニオンやナノカプセルはその形状から、高弾性で低摩擦係数の球状物質であると考えられます。この特性を生かして固体潤滑剤やナノメータレベルのベアリングとしての応用を期待しています。今後、カーボンオニオンやナノカプセルの未知なる物性を解明していく予定です。


●参考文献
H. Abe, Nucleation of Carbon Onions and Nanocapsules under Ion Implantation at High Temperature, Diamond and Relat. Mater., 10, 1201 (2001).

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たゆまざる探究の軌跡−研究活動と成果　２００１
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