2016 Fiscal Year Research-status Report
グラフェン/SiC表面及び界面におけるイオン液体分子の挙動制御技術の開拓
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16K04939
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| Research Institution | Ube National College of Technology |
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Principal Investigator |
碇 智徳 宇部工業高等専門学校, 電気工学科, 准教授 (40419619)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
内藤 正路 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 教授 (60264131)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 表面・界面物性 / グラフェン / SiC / 準安定原子誘起電子分光法 / イオン液体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液体-気体(真空)界面(表面)或いは固体-液体界面におけるイオン液体(IL)分子に関する新たな物理を確立するという最終的な目的を達成するために、平成28年度は１．装置開発と２．不活性表面における最表面の電荷制御に取り組んだ。
１．(1)飛行時間差型準安定原子誘起電子分光法(ToF-MIES)の準安定原子源及び計測システムの設計を行った。MIESは、各表面或いは界面に対して液体中の分子構造を変化することなく観測可能且つ極端に表面敏感な手法である。準安定原子源では、カソード形状を円筒型とし、ガス噴出口にノズル－スキマー型を採用し、さらに放電開始を容易にするためにタンタル製の電極を設けた。また、飛行時間差による計測を可能とするシステム設計に取組んだ。現状では、直流による放電は成功しており、高出力な準安定原子ビームを生成できている。
１．(2)IL分子蒸着用の試料準備室及び試料ホルダーの設計を行った。これにより、測定室に設置された検出器等や超高真空な測定環境に対するIL分子に含まれるフッ素系化合物の影響を抑制することができる。さらに、試料ホルダーには加熱機構を備え、基板温度制御によるIL分子の挙動まで測定可能なシステムを構築した。
２．基板(固体)最表面へ異種原子挿入などの外的要因による表面電荷状態の制御方法の構築を目指した。基板に炭化ケイ素(SiC)と参照のため高配向性熱分解グラフェン(HOPG)を選び、SiC表面では基板加熱による各再構成表面とグラフェン層の形成を低速電子線回折(LEED)により確認した。これらの表面に対して、異種原子を水素(H)と酸素(O)を選びそれぞれをガス状態と原子状態で導入し、MIES等による観測を行った。その結果、各導入原子による最表面での電荷状態の変化が僅かではあるが確認することができたことからも、表面電荷状態の制御への可能性を掴めた。
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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
次世代エネルギー貯蔵デバイス開発への貢献のためにグラフェン表面上のイオン液体(IL)分子の振舞と電荷輸送について、電子状態的見地から解明し、液体-気体(真空)界面(表面)或いは固体-液体界面におけるイオン液体(IL)分子に関する新たな物理の確立を目的としている。申請当初に計画していた平成28年度の内容は、大きく2つに分けられ、１．装置開発と２．不活性表面における最表面の電荷制御であった。
１．装置開発では、(1)高出力飛行時間差型準安定原子源の開発，(2)試料準備(IL及びSi蒸着)室の製作とし、ともにほぼ完成している。しかし、(2)においてIL蒸着に必要な有機材料用蒸着源の設計に非常に時間を要したことから、年度内での購入が困難であったため、試料準備室に設置できていない状況である。但し、すでに設計は終了し手続きも完了しているため、近日中に納入予定である。平成28年度の計画において、有機材料用蒸着源を設置することのみ達成できていないことから、この点に関しては、やや遅れている。
２．不活性表面における最表面電荷の制御については、平成29年度にまたがって実施する内容であり、研究実績の概要に記したように順調に進んでおり、その結果をすでに昨年度末の学会で発表している。また、参照基板として選んだHOPG表面においても同様の実験を行ったことからも、先の計画の予備的な実験を進めることができているため、比較的進展していると言える。
以上のことから、それぞれの状況を鑑みて概ね順調に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度には、引き続き２．不活性表面における最表面の電荷制御を行い、平成30年度に予定している３．不活性表面におけるIL分子挙動の観測への確実な基礎をつくる。また、１で製作した試料準備(IL及びSi蒸着)室を用い、４．SiC基板の加熱温度変化に伴い表面構造を制御した活性表面におけるIL分子挙動の観測に取り組む。
２．不活性表面における最表面の電荷制御では、平成28年度の内容に加えて紫外光電子分光法(UPS)や反射エネルギー損失分光法(REELS)等の実験を行い、現在検討している電荷制御に関するモデルをより確実なものとする。
４．活性表面におけるIL分子挙動の観測では、SiC基板を加熱することで(1×1)や(3×3)や(√3×√3)構造といった複数の再構成表面を形成し、その各再構成表面に対してIL蒸着レートを1分子層以下で区切り薄膜形成することで、IL分子挙動と表面構造の関係を明らかにすることと蒸着量における分子間相互作用の優先的な方位の解明をめざす。表面構造についてはLEEDや走査型トンネル顕微鏡(STM)により観察し、構造形成のための条件出しを行う。研究を遂行する上での課題としては、IL蒸着により形成された薄膜の膜圧の評価が挙げられる。その課題解決のために、水晶振動子を備えた膜圧計による評価と各種電子分光法(MIES及びUPS)による分子層の見積といった2つの方法を検討している。特にMIES測定においては、液滴した状態を最終状態として、スペクトル形状からの評価を行えると考えている。
さらに、ドイツの2大学(TU Ilmenau, TU Clausthal)においてもX線光電子分光法(XPS)等によるILに関する測定環境を準備できることから、研究協力者と議論をしながら研究を進める予定である。
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| Causes of Carryover |
平成28年度の研究費の大部分を有機材料用蒸着源の購入で使用する予定であったが、蒸着セル数やセル内の容量等の設計に非常に時間を要したことから、年度内での購入が困難であった。また、本研究の遂行により最適な条件で実施できる設計としたため、平成29年度に予定されている研究費の一部を計上する必要があり、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
有機材料用蒸着源の購入のため、平成28年度分及び平成29年度分の一部を合算して使用する計画である。
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