[論文レビュー] Enhancing surface production of negative ions using nitrogen doped diamond in a deuterium plasma

Gregory J Smith, James Ellis+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 73被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、低エネルギーイオンビーム条件下において、窒素ドーピングされたマイクロクリスタルリン炭素（MCNDD）がデュテリウムプラズマ内での表面ネガティブイオン生成を向上させることを示している。550 °Cおよび-20 Vバイアス条件下で、MCNDDはドーピングされていないダイヤモンドと比較して2倍、ホウ素ドーピングされたダイヤモンドと比較して1.5倍のネガティブイオン発生量を示し、核融合応用におけるセリウム被膜表面の有望な代替手段を提供する。

ABSTRACT

The production of negative ions is of significant interest for applications including mass spectrometry, particle acceleration, material surface processing, and neutral beam injection for magnetic confinement fusion. Methods to improve the efficiency of the surface production of negative ions, without the use of low work function metals, are of interest for mitigating the complex engineering challenges these materials introduce. In this study we investigate the production of negative ions by doping diamond with nitrogen. Negatively biased ($-20$ V or $-130$ V), nitrogen doped micro-crystalline diamond films are introduced to a low pressure deuterium plasma (helicon source operated in capacitive mode, 2 Pa, 26 W) and negative ion energy distribution functions (NIEDFs) are measured via mass spectrometry with respect to the surface temperature (30$^{\\circ}$C to 750$^{\\circ}$C) and dopant concentration. The results suggest that nitrogen doping has little influence on the yield when the sample is biased at $-130$ V, but when a relatively small bias voltage of $-20$ V is applied the yield is increased by a factor of 2 above that of un-doped diamond when its temperature reaches 550$^{\\circ}$C. The doping of diamond with nitrogen is a new method for controlling the surface production of negative ions, which continues to be of significant interest for a wide variety of practical applications.

研究の動機と目的

• マイクロクリスタルリン炭素への窒素ドーピングが、低圧デュテリウムプラズマ内での表面ネガティブイオン生成を向上させる方法として有効であるかを調査すること。
• さまざまな表面温度および印加バイアス電圧下での窒素ドーピングがネガティブイオン発生量に与える影響を評価すること。
• 同一のプラズマ条件下で、窒素ドーピングされたダイヤモンド（MCNDD）、ドーピングされていないダイヤモンド（MCD）、ホウ素ドーピングされたダイヤモンド（MCBDD）の性能を比較すること。
• セリウムのような低仕事関数金属に依存せずに、窒素ドーピングがネガティブイオン発生量の向上に寄与できるかを検証すること。
• ドーピングされたダイヤモンド膜を用いたネガティブイオン生成を最大化する最適な温度およびバイアス条件を同定すること。

提案手法

• 50 ppmの窒素ドーピングを施したマイクロクリスタルリン炭素膜（MCD）を、プラズマ増強化学気相堆積法（PECVD）を用いて合成した。
• 容量性モードでヘリコンソースにより生成された低圧デュテリウムプラズマ（2 Pa、26 W）に、ドーピング済みおよびドーピングなしのダイヤモンド膜を露出させた。
• イオンエネルギーおよび表面電位を制御するため、ダイヤモンド試料に可変の負の直流バイアス（-20 V または -130 V）を印加した。
• 温度範囲30 °C ～ 750 °Cで、質量分析法を用いてネガティブイオンエネルギー分布関数（NIEDFs）を測定した。
• 膜表面温度を系統的に変化させ、ネガティブイオン発生量に及ぼす熱的活性化効果を評価した。
• 同一のプラズマおよびバイアス条件下で、MCD、MCBDD、MCNDDの各試料間のネガティブイオン発生量を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロクリスタルリン炭素への窒素ドーピングは、ドーピングされていないまたはホウ素ドーピングされた炭素と比較して、デュテリウムプラズマ内でのネガティブイオン発生量を向上させるか？
• RQ2 印加バイアス電圧（-20 V 対 -130 V）は、窒素ドーピングがネガティブイオン生成を促進する効果にどのように影響するか？
• RQ3 窒素ドーピングされたマイクロクリスタルリン炭素はどの温度でネガティブイオン発生量が最大となり、ドーピングされていないおよびホウ素ドーピングされた炭素と比較してどのように異なるか？
• RQ4 表面温度は、ドーピングされたダイヤモンド膜内での共鳴電荷移動プロセスをどのように調節するか？
• RQ5 窒素ドーピングされたダイヤモンドは、磁気的閉じ込め核融合応用におけるネガティブイオン源として実用的かつセリウムフリーな代替手段として成立するか？

主な発見

• -20 Vバイアスおよび550 °C条件下で、窒素ドーピングされたマイクロクリスタルリン炭素（MCNDD）は、ドーピングされていないダイヤモンド（MCD）と比較してネガティブイオン発生量が2倍に向上した。
• 同じ条件下で、MCNDDは、以前までに最高性能を示していたホウ素ドーピングされたマイクロクリスタルリン炭素（MCBDD）と比較して1.5倍のネガティブイオン発生量を示した。
• -130 Vの高エネルギーイオンビーム条件下では、窒素ドーピングがドーピングされていないダイヤモンドと比較して顕著な発生量の向上を示さず、その有効性がバイアスに依存することを示した。
• MCNDDのネガティブイオン発生量は、400 °C ～ 550 °Cの間で数個のオーダー増加し、550 °Cでピークに達した後、低下を示した。
• 400 °C未満では、MCNDDはネガティブイオン発生量がほとんど認められず、ドーピング効果に熱的活性化閾値が存在することが示唆された。
• MCDおよびMCBDDの発生量トレンドは、先行研究と整合的であり、実験設定およびベースライン性能の妥当性が裏付けられた。