2017 Fiscal Year Annual Research Report
Study on catalytic activity of oxide surface using single molecule labeling and spin polarized tunneling electron spectroscopy
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16H03863
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
米田 忠弘 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (30312234)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
道祖尾 恭之 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (10375165)
高岡 毅 東北大学, 多元物質科学研究所, 講師 (90261479)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 走査トンネル顕微鏡 / スピン検出 / 欠陥準位 / スピンラベル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は酸化膜表面上での触媒化学反応をスピンをラベルとして明らかにしようとする実験である。そこでは走査トンネル分光を用いた原子レベルでスピンを検知する精度が鍵となる。原子レベルで基板や分子のスピンを検知するためには、スピン偏極STM（SP-STM）は重要であり、スピンの存在に加え、その方向や時間発展なども対象となっている。しかしながら世界的に見てもどのような標準物質でこの測定手法の評価を行うか定まっていない。H29年には強磁性薄膜であるコバルト2層膜で形成されるナノサイズの島について、実験と第一原理計算がうまく融合し、強磁性薄膜であるコバルト2層膜で形成されるナノサイズの島についてスピン偏極マッピング像の観測に成功し、そのマッピングコントラストから島がN極かS極か区別が可能であることを示した。この技法を利用し、反転に必要な外部磁場の強さを多くの島で計測し、磁気異方性エネルギー（MAE）を正確に測定した。銅と金を基盤として用いた結果を比較すると、銅と比較して金の基板に成長させたコバルト島には 約2倍のMAEが観察された。三重大・中村浩次らの理論計算との比較により、金の大きなスピン軌道相互作用の影響によって、コバルトに大きなMAEが観察されたことが理解され、Nano Lettersに掲載することができた(. Mishra, Z. K. Qi, H. Oka, K. Nakamura, T. Komeda, Nano Lett. 17 (2017) 5843-5847.)。
この技術を用いて、酸化膜のスピン検知を行った。酸化膜表面としてFe(110)を用いた極薄酸化膜を形成し、その磁性の原子レベルでの振る舞いを調べた。Fe(110)表面上に形成されるFeO(111)を用い、その反強磁性的な挙動をスピン偏極STSで検知した。
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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
本基盤研究の目的は、走査トンネル分光を用いた原子レベルでスピンを検知する、技術を開発し、表面触媒反応をスピンラベルを開発し新しい解析手法を開発しようとするものである。ナノ磁性材料に関する最も重要な特性である磁気異方性エネルギー（MAE)をナノ構造と同時に可視化・測定した。MAEの大きさが重要なことは、磁気記録の高密度化が進むと、単一ビットあたりの磁性体原子の数が減少し、その反転エネルギーが低下、安定な記録が出来なくなることが大きな問題となることなどに見ることができるが、同時に化学分析においても不可欠な情報である。そのためにはMAEの現象を原子レベルで理解することが必要である。今回の測定には原子レベルで磁気特性を測定可能なスピン偏極走査トンネル顕微鏡（SP-STM）の手法を利用し、観察対象として金属基板に成長させた強磁性薄膜であるコバルト2層膜のナノサイズの島を用いた。この薄膜の島は、N極・S極のどちらかが表面から飛び出す方向を向いている。外部から磁場を印加した場合、最初磁場と反対を向いていた島も、ある強さの外部磁場の印加で、それと同じ方向に反転する。この外部磁場の強度から、MAEを測定することが可能である。共に非磁性金属である銅と金を基板とした場合、銅と比較して金の基板に成長させたコバルト島には 約2倍のMAEが観察された。理論計算との比較により、金の大きなスピン軌道相互作用の影響によって コバルトに大きなMAEが観察されたことが理解された。この技術は、原子レベルでスピン状態を検出する技術を利用して、欠陥での化学反応素過程を解明するために不可欠の技術であり、それらが達成できたことで研究は順調に進行していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
H30には前年度までに整備したスピン偏極トンネル分光とスピンによって引き起こされる近藤効果をツールとして、表面上での触媒活性をスピンで検出する手法に進める。セリア欠陥に関する電子状態・スピン状態の測定から開始する。酸素欠陥の最近接セリウム原子が４＋から３＋に変化する。このとき４＋状態においてスピンは存在しないが、３＋状態では4f電子がスピンを持つ。本年度、これらのスピン検出の確度を向上させ多角的に捉えるため相補的な実験を分子を用いて行う。すなわち、フタロシアニン配位子を2層サンドイッチされたCe原子錯体、CePc2を東北大学・化学・山下研究室から入手可能であるため、分子においても酸化状態に従って4fスピンの有無が変化する。セリア固体の欠陥状態と分子の酸化状態と4f状態の相関関係を精査する。
昨年までに装置改良ガス済、超高真空下で0.4Kの低温で動作することに成功した。試料をより低温にすることで、電子温度が低下し、反比例してスペクトルの分解能が向上、より微細構造が観察される。Cπラジカルで生じる近藤ピークが観察可能であるが、Ceの4fスピンの存在によるスピン軌道相互作用に由来する近藤ピークの分裂を観察している。本技術を進めることでスピンをラベルとして表面での触媒反応をモニターする技術を進める。一酸化窒素（NO）ガスを用いて開始する。NO分子は真空中ではπ軌道に不対スピンを持つが、表面吸着において保たれるのであれば、近藤効果やスピン偏極トンネル分光でその吸着状態を詳しく調べる。このことで単一分でのスピン分解が可能となる。続いて、欠陥における触媒化学反応を原子レベルで精密に測定を行うために、さらに酸素や一酸化炭素分子を今日吸着させ、原子レベルのスピン挙動検知を通じて、酸化膜表面の酸素欠陥の触媒反応をプローブする新しい測定手法開発を行う。
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