The electronic structures of Anatase TiO2 studied by photoemission spectroscopy using synchrotron light and laser

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K05406
• Research Institution: Saga University
• 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)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 光電子分光 / 放射光 / 光触媒 / 二酸化チタン / 電子状態

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の天然単結晶についてイオンスパッタと酸素雰囲気中のアニールにより清浄表面が得られる事を(100)面，(110)面，(001)面について確認した．
(100)面について励起光のエネルギーを変化させ表面垂直方向と平行方向の両方の波数を分解する三次元角度分解光電子分光測定を行い，まず表面垂直方向すなわちΓ-X方向のバンド分散を明らかにした．バンド分散で得られた対称点の位置から内部ポテンシャルV0と電子の有効質量が求まった．さらに励起光のエネルギーをΓ点，X点に合わせることで表面平行方向のΓ-X方向とΓ-Z方向のバンド分散ならびにX-M方向のバンド分散も明らかになった．また表面に平行な方向の波数と垂直方向の波数が同時に決められる事から，表面から斜め方向に放出されるΓ-M方向のバンド分散も測定された三次元角度分解光電子分光のデータから抽出できた． (110)面において，三次元角度分解光電子分光測定により表面垂直方向であるΓ-M方向と表面並行方向のΓ-M軸に沿ったバンド分散が得られた．得られた対称点のエネルギー位置から(100)面とほぼ同じ内部ポテンシャルV0と電子の有効質量が求められた．これにより3つの測定結果全てでM点直上に価電子帯上端が存在することが示された．この結果からアナターゼTiO2のバルク電子状態をΓ-X方向，Γ-Z方向，Γ-M方向，X-M方向等完全に理解できた．これらの成果について論文投稿中である．
またTiO2(100)単結晶表面において酸素の光脱離によって形成されるTi3d状態を起源とした新たな表面電子状態についてレーザー二光子光電子分光によりバンド分散が観測された．この光脱離によって作られるTi3d状態を起源とする表面電子状態は(100)面だけでなく(110)面，(001)面でも現れることが分かった．