2015 Fiscal Year Research-status Report
強い酸化還元作用を持つ拡大ワイドバンドギャップ半導体光触媒の創製
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15K13763
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
齊藤 結花 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90373307)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | バンドギャップ / 分光学 / ナノ構造化 / 半導体光触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光触媒はバンドギャップに相当する光エネルギーを吸収して電子•正孔対を形成し、酸化還元反応を誘起している。例えば二酸化チタン(TiO2)に代表されるワイドバンドギャップ半導体光触媒は、細菌や油脂汚れ等の有機物を分解して環境浄化を実現している。また太陽光により水を分解し、酸素と水素を取り出すことができる。目標としている分解反応の酸化還元反応電位に対してバンドギャップが大きいことが反応の進行する条件となっているため、ギャップの大きさは触媒効果発現の重要な因子である。バンドギャップが大きいほど酸化力または還元力は強くなり、大きなポテンシャルエネルギーを要する化学反応を進行させることができる。Leeらは、TiO2ナノ粒子の平均サイズを変えてバンドギャップと光触媒効果の関係を測定した。その結果、粒子径を小さくすることで触媒効果が増大し続ける傾向が確認されている。しかし半径~6nmより小さい粒子についてのデータはなく、バンドギャップ測定も様々な形状のナノ粒子の集合体に対して行われた平均的な情報である。このような研究成果に基づいて、申請者はナノ材料の分光学的評価法の研究開発をとおして単一TiO2ナノ粒子の評価を行い、粒子サイズが~30 nmから小さくなってくるとバンドギャップが急激に増大することを見いだした。特に直径~30 nmの粒子にくらべて、10 nm以下の粒子のバンドギャップが大きく増大していることがわかった。このサイズ効果を極限まで拡張し、バンドギャップが大きい粒子群の光触媒としての性質を調べるために、まず半導体材料の微細化を行った。
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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
進捗状況
本研究では光触媒ナノ粒子サイズ、バンドギャップ、触媒活性を定量的に測定し、バンドギャップ拡大の効果を評価することを目指している。従ってこれらの実験を遂行するのに適した試料を作製するため、RFスパッタリングと独自の微細化プロセスと用いた。TiO2は真空スパッタリングにより光触媒機能を持つ薄膜を形成する。TiO2ターゲットを10-4 Paの真空下においてRFスパッタリングで製膜を行い、加熱温度、真空度のパラメータを調整しながら、本研究に最適な条件を探した。薄膜の厚みは10 nm-20 nmに調整した。評価用の基板として紫外光を透過する石英ガラスを用いた。微細加工には、リソグラフィーが達成できない微細な構造を大面積に高い密度で作製できるという理由から、プラズマエッチングを採用した。チャンバー中に希ガスを封入し、２枚の電極の間にサンプルを固定して放電プラズマ(アルゴン)を発生させ材料の表面を研磨すると、ナノメートルオーダーの微細なラフネスを形成することができる。ここでは互いに癒着しない微粒子を用意するため、条件を変化させながらエッチングを繰り返し最終的に数nm程度の微粒子が石英基板上に残留させる。加工サイズの目標範囲を1 ~30 nmとする。導入ガスの種類、圧力、電圧を変化させることでラフネスを変化させた。エッチングにより微細化を試みたが、材料が堅固であるためソフトプラズマでは困難であることが判明した。従って下地に微細化を施した上にTiO2を塗布する方針に変更した。
順調に進展している理由
スパッタリングによる薄膜形成は問題なく達成され、厚さ制御も可能となっている。また、方向転換を若干行ったものの微細化に向けた今後の方針も決まっており、順調な進展と考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
試料の微細化
これまでの実験から、多くの半導体材料は堅固で、通常のプラズマエッチングでは微細化が困難であることがわかった。微細化に向けて、別の素材（やわらかい金属やポリマー素材）でナノ構造を作成し、その上に標的の材料をのせることで微細化を実現する。
共鳴レーリー散乱によるバンドギャップの測定
石英基板上に点在する個々の半導体ナノ粒子のバンドギャップを、共鳴レーリー散乱スペクトルによって評価する。試料を倒立型顕微鏡上に配置し、LDLSブロードバンド紫外ランプ光源で斜方から光を入射し、散乱光成分のみを対物レンズで回収する。信号光は分光器のスリット上で結像し、分光器をとおしてCCDカメラで検出する。ここで用いる分光器は、収差補正レンズを組み込んでおり、広波長域で散乱スペクトルを取得できる。暗視野顕微鏡で特定した位置において、レーリー散乱スペクトル測定を行う。観測の位置精度を高くすることで、明度の低い観測対象についても該当箇所のスペクトル測定ができる。構造とバンドギャップの関係を微細加工プロセスに還元しながら研究をすすめる。
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| Causes of Carryover |
本研究では光触媒ナノ粒子サイズ、バンドギャップ、触媒活性を定量的に測定し、バンドギャップ拡大の効果を評価することを目指している。今後、石英基板上に点在する個々の半導体ナノ粒子のバンドギャップを、共鳴レーリー散乱スペクトルによって評価することを予定している。この測定は、一組のスペクトルを測定するために１時間以上の積算時間を要するために、長時間に及び安定してデータを取得する設備必要がある。本装置のプロトタイプは既に申請者によって作製されているが、SN比の改善と測定の安定性を重視し光学除振台の導入を検討していた。昨年度の導入を予定していたが、物品の作製に予定以上の時間を有したために間に合わず本年度に繰り越したために、予算執行額に差額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
昨年度納品を予定していた光学除振台を、本年度に入りすぐに（５月初旬）に導入する。共鳴レーリー散乱スペクトル測定装置のプロトタイプは既に申請者によって原型が作製されているために、これらの装置を光学除振台上に設置する。５月下旬より標準試料の測定を開始しながら、６月以降に測定環境や試料にあわせて装置のSNと感度を改善するために必要な物品、光学部品、フィルター及び対物レンズ等の消耗品を購入する。
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Research Products
(5 results)
