2016 Fiscal Year Research-status Report
放射光光電子分光とレーザー二光子光電子分光を用いたアナターゼTiO2電子状態研究
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16K05406
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| Research Institution | Saga University |
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Principal Investigator |
東 純平 佐賀大学, シンクロトロン光応用研究センター, 准教授 (40372768)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 光電子分光 / 放射光 / 光触媒 / 二酸化チタン / 電子状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光触媒として知られるアナターゼ型二酸化チタンTiO2の天然単結晶を、ラウエ測定により異なる面方位の表面を出して整形研磨された結晶を購入し、それらの試料についてイオンスパッタと酸素雰囲気中でのアニールにより清浄表面が得られる事を確認した。
これらの試料について放射光のエネルギーを変化させて表面に垂直方向の電子波数を変化させながら角度分解によって水平方向の波数を同時に分解する三次元角度分解光電子分光測定を行い、アナターゼTiO2(100)単結晶について表面垂直方向のΓ-Ｘ方向のバンド分散と光のエネルギーをΓ点、Ｘ点に選ぶ事で表面水平面内のΓ-Ｘ方向のバンド分散ならびにＸ-Ｍ方向のバンド分散を明らかにした。
光電子分光で実験的に得られたバンド分散は先行研究の理論計算の結果と良く一致している。アナターゼTiO2エピタキシャル薄膜を用いた角度分解光電子分光の先行研究の結果とも良く一致する結果が得られたが、結晶性の高いバルク単結晶を用いた事により、更に詳細なバンド構造が明らかになった。これらの測定の過程でシンクロトロン光やレーザーの照射によりアナターゼTiO2の価電子帯と伝導帯のギャップ中に表面の酸素欠陥によると思われる電子状態が現れる事が分かった。
これまで薄膜試料でしか得られていなかったアナターゼTiO2の電子状態について、天然単結晶を用いることでその三次元バンド構造をより詳細に調べる事に成功した。2018年春の日本物理学会、第30回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウムなどで報告を行った。すぐに論文化する予定である。
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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
平成28年度研究実施計画ではアナターゼ型TiO2単結晶試料について、(1)真空中で清浄表面を作製し、放射光による三次元角度分解光電子分光測定によりバルク電子状態のバンド分散を測定する。(2)放射光のエネルギーを変化させてもエネルギーが変化しない表面電子状態をそれぞれの面方位についてバルク電子状態と分離し、表面電子状態のバンド分散を明らかにする。(3)得られた成果を学会発表や学術論文等で公表する。という内容であった。
これらの実施計画について(1)は研究実績の概要でも述べた様にほぼ100%達成できており、(2)についても(1)の三次元角度分解光電子分光の結果からギャップ中に表面の酸素欠陥に起因する電子状態が観測されるなどほぼ達成できている。(3)については学会発表は既に二件行っており論文化の段階であると考えられる。
これらの結果から本研究課題は実施計画通りおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き三次元角度分解光電子分光測定を行い、アナターゼ型TiO2単結晶のバルク電子状態とそれぞれの面方位における表面電子状態のバンド分散について調べる。バルクの占有電子状態とそれぞれの面方位における占有表面電子状態が角度分解光電子分光により明らかになった段階で、レーザーを用いた角度分解二光子光電子分光を行う。光電子の運動エネルギーと励起光の光子エネルギーとの関係から、バルク電子状態と表面電子状態さらには占有電子状態と非占有電子状態を分離し、非占有電子状態に関する情報を得る。（占有電子状態はコヒーレントな二光子励起による光電子放出によって運動エネルギーが決定されるが、非占有電子状態を経由したカスケード励起の場合、その非占有電子状態からの一光子励起によって運動エネルギーが決定され、励起光のエネルギーを変化させた時の光電子の運動エネルギーの変化率が異なる。バルク電子状態については更に表面垂直方向のバンド分散の効果が加わる。）占有電子状態については放射光を用いた三次元角度分解光電子分光測定とレーザーを用いた角度分解二光子光電子分光の両方で検出されるので、両者の比較からも占有電子状態と非占有電子状態を分離することが可能で有る。
得られた研究成果について引き続き学会や国際会議への参加ならびに学術論文への投稿や本研究センターで二年ごとに刊行しているActivity Reportなどにより公表すると共にセンターWebページなどで情報公開を行う。
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Research Products
(4 results)
