走査トンネル顕微鏡によるTiO_2(110)表面上の光反応微視過程のその場観察

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07228214
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岩崎 康裕 東京大学, 大学院・理学系研究科, 教授 (40018015)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 福井 賢一 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (60262143) ; 大西 洋 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (20213803)
• Keywords: 走査トンネル顕微鏡 / 光励起反応 / 光触媒 / 固体表面 / 金属酸化物 / 二酸化チタン / ギ酸 / 環境場

Research Abstract

固体表面の光化学反応は、基礎的・応用的な観点から今日もっとも注目されている科学現象の一つである。本研究では、走査トンネル顕微鏡で熱反応過程を動的観察するとともに、光反応中の表面をその場観察することによって、これまで間接的にしか得られなかった金属酸化物表面の反応過程を原子レベルでとらえることに成功した。
まず、二酸化チタン(TiO_2)の(110)表面を清浄化し、(1×1)清浄表面の原子像をはじめて観察した。得られた原子像がチタンあるいは酸素いづれに対応するものであるかを、ギ酸イオンの吸着を利用して判別した。次いで、顕微鏡ステージに紫外・可視励起光を入射して光照射下の表面反応をその場観察できる光学系を整備し、吸着ギ酸イオンの光分解反応のSTM観察に成功した。室温でギ酸イオンを飽和吸着させたTiO_2(110)表面に高圧水銀灯からの励起光(波長350-500nm)を15時間照射したところ、ギ酸イオンの面密度が照射前の1/3に減少した。ギ酸イオンがTiO_2基板に光励起されたホールを捕獲して二酸化炭素に分解したものと考えている。さらに20時間照射を続けた表面では、ギ酸イオンはほぼ完全に分解し基板表面のチタンイオン列が露出している様子が観察された。
現在、光照射中のその場STM観察から、個々のギ酸イオンが反応する瞬間を捉えて活性な反応サイチを識別することを試みている。また、吸着サイトごとの反応特性を調べるために、基板を100Kまで冷却して光照射しギ酸イオンの熱拡散を抑えた条件で光反応を観察する実験を行っている。さらに、質量分析器による光反応生成物の定性・定量分析や励起光の波長依存性をあわせて検討し、固体表面の環境場が吸着分子の光反応におよぼす影響を原子スケールで明らかにする。

Research Products

• [Publications] Ken-ichi Fukui: "Adsorption and Thcrmal or Photodecomposotion of Triethylgallium and Trimethylgallium on Si(111)-7 x7" Japanese Journal of Applied Physics. 34. 4910-4916 (1995)
• [Publications] Hiroshi Onishi: "Atomic-Scale Surface Structures of TiO_2(110)Determined by Scanning Tunneling Microscopy: A New Surface-Limited Phase of Titanium Oxide" Bulletin of the Chemical Society of Japan. 68. 2447-2458 (1995)
• [Publications] Yoshitaka Yamaguchi: "Catalytic Decomposition Reaction of Formic Acid on an Ar^+-Bombarded TiO_2(110) Surface: Steady-State Kinetics and Microscopic Surface Structure" Journal of the Chemical Society Faraday Transaction. 91. 1663-1668 (1995)
• [Publications] 大西 洋: "二酸化チタン表面におけるNa原子アンサンブルの構造と塩基性誘起のメカニズム" 触媒. 37. 430-433 (1995)
• [Publications] Hiroshi Onishi: "Dynamic Visualization of a Metal-Oxide Surface/Gas Phase Reaction: Time-Resolved Observation by Scanning Tunneling Microscopy at 800K" Physical Review Letter. 76. 791-794 (1996)
• [Publications] Hiroshi Onishi: "STM Observation of Surface Reactions on a Metal Oxide" Surface Science. (印刷中).