超高速分光法による半導体/溶液界面における光励起初期過程の解明

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10440202
• Research Institution: HOKKAIDO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 大谷 文章 北海道大学, 触媒化学研究センター, 教授 (80176924)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 魚崎 浩平 北海道大学, 大学院・理学研究科, 教授 (20133697) ; 池田 茂 北海道大学, 触媒化学研究センター, 助手 (40312417)
• Keywords: 懸濁半導体粉末 / 光触媒反応 / 超短パルスレーザ / 酸化チタン / アナタース / ルチル / 電子-正孔再結合 / 再結合速度定数

Research Abstract

本研究は、酸化チタン粉末や電極における光励起初期過程を解析することによって、再結合の支配因子を明らかにすることをめざし、フェムト秒領域のパルスを発生させるレーザからの光を励起(ポンプ)・検出(プローブ)に用いるポンプ-プローブ法超高速分光の手法により半導体/溶液界面における光励起初期過程を分光学的に解析し、励起電子-正孔の再結合について定量的な分析を行うものである。平成11年度までに、アナタース型とルチル型の結晶構造をそれぞれもつさまざまな酸化チタン粉末および板状酸化チタン試料を用いたフェムト秒過渡反射吸収分光法により光励起初期過程を追跡した。プローブ光波長を620nm、ポンプ光(励起光)を310nmとすると、きわめて速い(ほぼ検出限界)吸収の立ち上がりとその減衰が観測された。いずれの粉末状試料を用いる場合には減衰速度の違いはあるものの挙動はほぼ同じであり、速い二次減衰成分と遅い減衰成分の和で表されることがわかった。多結晶酸化チタン板でも同様であることから、多結晶試料では粉末と同じように微粒子ひとつひとつで光吸収とその減衰が起こると思われる。このような成果にもとづいて、本年度は、励起(ポンプ)光波長を変化させて実験を行い、再結合挙動の違いを明らかにした。これまでに、励起光波長を変えて実験を行った例はなく、半導体光触媒反応の本質的な理解にきわめて重要であると考えられる。とくにバンドギャップ近傍の比較的小さなエネルギーで励起した場合にはバンドギャップ励起とは異なる挙動を示すことが明らかになった。これは、励起子生成によるものと思われる。

Research Products

• [Publications] H.Kominami et al.: "Thermal Treatment of Titanium Alkoxides in Organic Media : Novel Synthesis Methods for Titanium (IV) Oxide Photocatalyst of Ultra-high Activity"Stud.Surf.Sci.Catal.. 130. 1937-1942 (2000)
• [Publications] Ikeda, S.et al.: "Photocatalytic Activity of Transition-Metal-Loaded Titanium (IV) Oxide Powders Suspended in Aqueous Solutions : Correlation with Electron-Hole Recombination Kinetics"Phys.Chem.Chem.Phys.. 3. 267-273 (2001)
• [Publications] H.Kominami et al.: "Novel Solvothermal Synthesis of Niobium (V) Oxide Powders and Their Photocatalytic Activity in Aqueous Suspensions"J.Mater.Chem.. 11. 604-609 (2001)
• [Publications] H.Kominami et al.: "Immobilization of Highly Active Titanium (IV) Oxide Particles. A Novel Strategy of Preparation of Transparent Photocatalytic Coatings"Appl.Catal.B.Environ.. 30. 329-335 (2001)