2017 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of photoelectrochemical cell based on heterostructures of iron oxides
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15H03563
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
関 宗俊 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (40432439)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 酸化鉄 / パルスレーザー堆積法 / 太陽光水分解 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
α-Fe2O3はコランダム型結晶構造を有するn型酸化物半導体であり、約2.2eVのバンドギャップエネルギーを持つため、可視光応答型触媒として有望と期待されている。研究代表者はこれまでに、Feの一部をRhで置換した系において、α-Fe2O3では光応答が無い近赤外域において光電流が発生することを報告してきたが、平成29年度は、希少元素であるRhよりも豊富に存在し、Feと同じ3d電子系のVを置換元素として選び、その特性について調べ、酸化鉄ヘテロ接合型光電気化学セルへの応用を目指した。試料はPLD法により作製した。XPSの結果から、Fe3+はアニールによって価数が変化しないが、VイオンはアニールによってV3+からV5+へ酸化されることが分かった。また光吸収測定の結果から、as-grownの薄膜ではV置換によってバンドギャップが変化しないのに対して、アニールしたV置換薄膜では、ギャップが狭窄化することが分かった(Eg～1.4eV)。第一原理電子状態計算(GGA+U)の結果より、as-grownの状態では、バンドギャップ中間付近にV3+のt2gスピンに由来する極度に狭い局在バンドが現れるが、バンド端の電子状態はノンドープの場合とほとんど変わらず、価電子帯上端および伝導帯下端はそれぞれ酸素2p状態と鉄3d状態からなる電荷移動型絶縁体となっていることが確認された。これに対してアニール後は、ギャップ内状態が消失し、伝導帯下端でV5+とFe3+の3d軌道が混成して、ギャップが減少することが分かり、上記の実験結果と一致する計算結果が得られた。さらに光電気化学測定により、1.4eVのギャップを持つ試料では、近赤外域で光電流が発生することを見出した。また、前年度までに得られたSi置換Fe2O3とのヘテロ接合型光電気化学セルにおいて、約11%の光電変換効率(IPCE, 波長600nm)が得られた。
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| Research Progress Status |
29年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
29年度が最終年度であるため、記入しない。
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Research Products
(7 results)
