2016 Fiscal Year Annual Research Report
機能ナノクラスター単層膜の複合界面制御とその電子物性の解明
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15H02002
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
中嶋 敦 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30217715)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ナノクラスター / マグネトロンスパッタリング / 表面光電子分光 / マイクロ混合器 / 金属内包シリコン / 超原子 / マンガン / 有機金属 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、機能ナノクラスター単位の創製研究として金属内包シリコンクラスターと遷移金属－有機分子サンドイッチクラスターの電子物性評価、および表面光電子分光による有機分子薄膜内での電荷分離過程、の２つの課題に取り組んだ。また、前年度に開発した超微細マイクロ混合器を用いて、金属クラスターの選択的化学合成手法の構築を進めた。
機能ナノクラスター単位の創製研究では、本課題で開発したパルスマグネトロンスパッタリング（HiPIMS）法を用いて、16個のシリコン原子が1個のタンタル金属原子を包み込む金属内包シリコンクラスター（Ta@Si16ナノクラスター）の超原子の研究を進めた。HiPIMS法で気相合成したTa@Si16超原子をC60基板上に蒸着し、化学的特性をX線光電子分光法(XPS)を用いて評価した。蒸着によってTa@Si16超原子が、C60と1：1錯体を形成し、高い熱的安定性と耐酸化反応性を有することがわかった。また、マンガン金属原子(Mn)とベンゼン分子(Bz)の有機金属クラスターの創製では、MnとBzとが交互に積層した屈曲サンドイッチ構造体を形成し、さらに量子化学計算によってMn-Bzが18量体でリング構造を形成して、強磁性相互作用による電子スピン配列を示すことを明らかにした。
表面光電子分光を用いてC60分子薄膜をモデルとして、光励起後の電荷分離過程を観測した。光励起された電子が最低非占有準位に収容され、C60分子間を伝導しながら基板に緩和する過程について、時間分解計測によってその速度定数を決定した。
マイクロ混合器による金属ナノクラスターの精密化学合成では、流路幅を５ミクロンまで超微細化したことで均一な金属イオン還元反応が実現できる。金ナノクラスター合成をモデルとして、このマイクロ混合器による速度論的制御を評価したところ、最小サイズの金ナノクラスターを選択的に生成できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
機能ナノクラスター単位の創製研究、ならびに光電子の高感度顕微計測手法の開発のそれぞれについて、研究計画に沿って研究が進んだ。Ta@Si16超原子、有機金属ナノクラスターの創製とその電子物性の解明は、国際学術誌において高く評価された。また、表面光電子分光による有機薄膜の電子物性研究、ならびに超微細マイクロ混合器を用いた金属ナノクラスターの液相合成では、それぞれ新しい表面物理や物質創製を可能としている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究で開発したHiPIMS法は、ナノクラスターイオンの生成量を増大させる上で極めて有効な手段であることを実証した成果を踏まえて、ナノクラスター超原子の種類を増やしつつ、その化学的分離によって原子数と組成を精密に峻別したナノクラスターの生成と化学的、分光学的評価、さらには機能ナノクラスター薄膜への利用研究を進める。また、有機分子薄膜の電子ダイナミクスに関する研究は、フェムト秒レーザーを光源とした時間分解2光子光電子顕微鏡を用いて空間分布をイメージングする研究へと高度化する方向に展開する。さらに、超微細マイクロ混合器の合成研究は、従来の液相合成では制御困難な金属種のナノクラスター生成を可能とできると考えられ、ナノクラスターの多様化を図る。
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