2023 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular-scale elucidation of the reaction elementary processes on the model dust surfaces by single-molecule surface spectroscopy
| Project Area | Next Generation Astrochemistry: Reconstruction of the Science Based on Fundamental Molecular Processes |
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| Project/Area Number |
20H05849
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
今田 裕 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 上級研究員 (80586917)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
日高 宏 北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (00400010)
杉本 宜昭 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00432518)
清水 智子 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (00462672)
金 有洙 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (50373296)
数間 恵弥子 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50633864)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | 塵モデル表面 / 走査プローブ顕微鏡 / 反応素過程 / 単分子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子レベルで平坦な塵モデル表面を作製するため、CaRuO3/NdGaO3(CRO/NGO)ボトム層を作製した。様々なオリビン系材料の中で表面構造が良いと考えられるMg2SiO4成膜した結果、表面の平坦性はCRO表面の粗さに大きく依存すことがわかった。エキシマレーザーのエネルギーを調整することで、RMS粗さ約0.1 nmのCRO膜表面を得ることができた。
星間分子雲での化学進化において重要である氷やCOの結晶表面の局所構造を解析する必要がある。これら絶縁体表面を原子レベルで分析する手段を確立した。CO分子や酸素分子を基板に対して直立して吸着させて形成した薄膜表面の精密な分析を行った。原子間力顕微鏡(AFM)の探針先端に分子を吸着させることによって、個々の分子が観察できた。
Si（111）7x7基板表面へ水分子線を蒸着することで作成したアモルファス氷薄膜の表面形状の変化を低温AFMにより調べた。25Kで蒸着して作成したアモルファス氷を100Kに昇温した氷の表面形状と100Kで蒸着して作成したアモルファス氷の表面形状は明らかに異なり、高温で蒸着した方がより平坦な氷の構造を示すことが明らかになった。低温で作成したアモルファス氷を結晶化温度付近（~120K）までアニールすると、単純な平坦化ではなく若干局所的に隆起したような構造を示す結果が観測された。
塵モデルシステムとなる磁鉄鉱単結晶表面に対して、走査型トンネル顕微鏡(STM)像における見かけ高さに基づき吸着種を分類する手法を改良し、Pythonコードを完成させた。像に現れるノイズの影響を除くような領域分けの方法と、高さの定義の仕方を見直したことで、正確に極大点と極小点の高さ・深さを特定できるようになった。ヒストグラムを元にした種ごとの分類では、バイアス電圧を変えて取得したSTM像を総合的に解析することで正確性を上げることに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
原子レベルで平坦な塵モデル表面を作製するため、CaRuO3/NdGaO3(CRO/NGO)ボトム層を作製した。様々なオリビン系材料の中で表面構造が良いと考えられるMg2SiO4成膜した結果、表面の平坦性はCRO表面の粗さに大きく依存すことがわかった。エキシマレーザーのエネルギーを調整することで、RMS粗さ約0.1 nmのCRO膜表面を得ることができた。
銀基板上に超高真空中で一酸化炭素分子や酸素分子を低温吸着させることによって、基板に対して直立して吸着する薄膜を作製した。原子間力顕微鏡の探針先端に分子を吸着させることによって、試料の導電性によらず、斥力による高分解能観察が行えることを確認した。また、より高い力分解能を有する原子間力顕微鏡の調整を行い、除振性能を損なわずに低温において原子分解能が得られるようにし、絶縁体表面を効率よく分析する準備を整えた。
Si（111）7x7基板上に作成したアモルファス氷薄膜の表面形状の蒸着温度やアニール温度による変化の測定は一通り終えた。しかし得られたデータの信憑性を検証するため、もう少し同様の測定を続ける必要がある。られた知見の基板依存性を調べるためにCu（111）基板を用いた実験で使用する基板のクリーニング等関する様々な条件出しや下準備を前倒しして行っており研究はおおむね順調に進んでいる．
高さ分類プログラムをほぼ完成させ、これを利用して、磁鉄鉱(111)面に水と一酸化炭素を吸着させた系において吸着種の分類および量の変化を追従できるようになった。室温における解析は順調に進み、反応が進行する様子を確認した。一方で、低温での実験は水のみ吸着させた系の解析にとどまっており、一酸化炭素との共吸着系の実験と解析は準備段階にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
パルスレーザー堆積を用いてルテニウム酸ストロンチウム薄膜上に作製したMg2SiO4およびMgSiO3の超薄膜の表面構造は原子レベルに平滑な部分もあったが、不均一であることが課題であった。今年度は微細な成長条件を調整し、原子レベルで平坦な表面構造を持つターゲット材料を成膜させる。さらに、酸化物表面での反応解析も進める。
開発した塵モデルシステムとなる磁鉄鉱単結晶表面に吸着した分子種の分類法を完成させ、分子吸着と解離吸着の区別や、異なる分子を共吸着させた場合の吸着種や量の変化を追従できるようにする。また、80Kで磁鉄鉱表面上に水と一酸化炭素を吸着させた場合の吸着構造と状態について、STMとSTSを用いて分析し、反応経路の提案を目指す。
隕石やリュウグウ試料に含まれる有機物を超高真空低温AFMによってイメージングする。それにより試料に含まれる個々の有機物の形状を明らかにする。特に、質量分析法とは相補的な情報を得るために、分子量が大きい分子に着目して分析する。また、開発した高力感度を持つレーザー干渉型低温原子間力顕微鏡を用いて、一酸化炭素の固体表面や氷表面を観察して、その構造や表面への原子分子の吸着と拡散の様子を実空間で詳細に調べる。
前年度は、25KのSi(111)7x7基板上への水分子線蒸着により作成したアモルファス氷を100Kおよび120Kに昇温した際の氷表面形状変化を低温AFMで観察した。測定の統計が十分でないため引き続き実験をおこなう。さらに昇温による氷形状の変化に対する基板依存性を調べるため、結晶氷（Ih）の六方晶とマッチングの良いCu(111)基板を用いて同様の実験を行う。これにより、結晶化温度付近においてSi基板とCu基板上の氷の表面形状にどのような違いが現れるかを調べる。
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