2014 Fiscal Year Annual Research Report
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14J00689
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小野田 穣 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 原子間力顕微鏡 / 元素識別 / 共有結合 / 極性結合 / 酸化シリコン / 二酸化チタン / 国際情報交換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、原子間力顕微鏡(AFM)で計測した最大化学結合エネルギーとPaulingの化学結合論を組み合わせた原子レベルでの普遍的な元素識別法の検証を行っている。従来法はSiと同程度の電気陰性度を持つSn、 Pb、Inのみに適用可能であったが、我々の提案する新しい手法ではC、N、OといったSiと異なる電気陰性度を持つ元素に対しても有効であると期待できる。本年度は主に以下の基礎的検証と応用的検証の予備実験を行った。
1. 我々はSi(111)表面上での酸素ガス暴露によって生成した一次・二次酸化物を利用した。AFMトポグラフ像と第一原理計算からこれらの最安定構造を決定でき、一次、二次酸化物の最表面原子はそれぞれダングリングボンドを持つSi、O原子であることが判明した。AFMを用いた最大化学結合エネルギー測定を行った結果、申請書で期待する通り、探針先端のSi原子と一次、二次酸化物のSi、O原子の間に形成されるそれぞれの極性結合において、共有結合エネルギーとイオン性エネルギーの分離を行うことができた。
2. 申請書ではAFMによる元素識別法の応用として、TiO2表面上の化学分解反応によって得られる中間反応体や最終生成物の原子種の同定を試みようとしており、我々はTiO2(110)、(011)表面を予備研究として調べた。TiO2(110)上の下地電荷由来の帯電領域や担持した単一Pt原子をAFMやケルビンプローブフォース顕微鏡で計測するとこれらは化学的に活性であることが分かった。また、過去の報告例より高い温度でTiO2(011)を作製した結果、我々は(2n×1)(n=2-5)の周期を持つ新たな再構成表面を見出した。これらTiO2の結果は今後の応用的検証へ利用できる可能性を示している。
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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
本年度はガス吸着・金属蒸着によって形成した表面局所化合物や表面超構造に対して元素識別の基礎的検証を行う予定であった。局所化合物に関して、我々はSi(111)-(7×7)表面における一次酸化物上のSi原子や二次酸化物上のO原子のダングリングボンドを用いることで、これらの共有性とイオン性を定量的に分離することができた。現在はNO吸着やAl蒸着によって形成したSi(111)-(7×7)上の局所化合物を用いて基礎的検証を行っている。同様に、NO吸着やAl蒸着後の加熱によって形成したN/Si(111)-(8×8)、Al/Si(111)-(√3×√3)表面超構造に対してもSi-N間、又は、 Si-Al間における共有性とイオン性の分離を試みている。
また、本年度は応用的検証の予備実験も進めた。原子スケールの化学反応を追跡するための良いモデル系が必要であったため、TiO2(110)、(011)表面を調べた。実験・理論面において海外の共同研究者と効率良く研究を進めることができ、TiO2(110)表面の下地電荷由来の帯電領域がH原子に対して排他的に振る舞う性質や、担持した単一Pt原子の化学活性度が探針先端の原子種に依存することを見いだした。更に、より触媒活性とされ現在研究が急速に進展しているTiO2(011)表面においても、我々は(2n×1)周期の新奇な再構成表面を発見することができた。
以上の様に、基礎的検証に関しては、表面超構造に対しては現在進行中であるものの、局所化合物に対しては期待通りの結果が得られた。また、応用的検証では予備実験の段階で予想より多くの結果が得られた。よって、おおむね順調に進展しているという自己評価を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までに、原子間力顕微鏡による元素識別法がSi(111)上に形成した酸化物上のSi原子やO原子に対して有効であることが判明した。よって今後も引き続き、CO・NOガス吸着やAl蒸着を用いた表面局所化合物や表面超構造を利用して、重要な有機元素であるCやN、Al原子に対する本手法の有用性を検証していく。また、現在進行中であるが、Si(111)表面上に形成した酸化物上のSi原子に対する第一原理計算は実験結果を良く再現することが分かってきた。本元素識別法がPaulingの化学結合論という現象論に基づいていることに注意し、何故本手法が有効なのかの理論的裏付けも確立する。
応用的検証においては、TiO2(110)、(011)表面上にCO、NO、または、HCOOH等の単純な有機分子を暴露させる。貴金属原子・ナノクラスターや表面のO原子列上の格子欠陥付近で化学反応を生じると期待できるため、確立した本手法を用いて、最終生成物の元素識別に挑戦する。
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