STM investigation of a plasmon-induced reaction of water molecules on metal nanostructure-oxide composites

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K17862
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 数間 恵弥子 国立研究開発法人理化学研究所, Kim表面界面科学研究室, 基礎科学特別研究員 (50633864)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 走査型トンネル顕微鏡 / 局在表面プラズモン共鳴 / 探針 / 水分子 / 反応

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、極低温走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて、金属ナノ構造(NS)-酸化膜複合系におけるプラズモンに基づく水分解反応を探索し、反応機構を実空間での直接観測・解析に基づき解明することを目的とした。
平成29年度は、平成28年度に作製した金製のSTM探針が、実際にプラズモン共鳴を示す探針として機能するかどうか評価した。作製した金探針は、従来のタングステン製探針と同様の空間分解能を有するだけでなく、探針と金属基板の間に励起できるプラズモンによってジメチルジスルフィドを分解することが可能であった。さらに、チップ増強ラマン散乱の探針としても、既報を上回る高い空間分解能が得られた。本研究で作製した金探針は、高空間分解能かつプラズモン共鳴を示す探針として有用であることが示された。
昨年度の検討により、水分子は銀基板上でクラスターを形成し、プラズモンの励起により脱離することが確認された。また、トンネル電流の変化から、脱離した水クラスターの探針への吸着が示唆された。銀表面から脱離した水分子の銀探針への吸着を防ぎ、酸化マグネシウム(MgO)薄膜上の水分子のプラズモン誘起化学反応を検討するためには、>10 nm四方のテラスをもつMgOが必要となる。作製したMgO膜は蒸着条件によって欠陥を多く含む様子が観察され、さらに広いテラスをもつ均一な薄膜を作製することはできなかった。
銀基板上ではクラスターとして吸着した水分子が、プラズモンにより脱離してしまう問題があったことから、金属基板上に水分子が孤立して吸着する系を探索した。その結果、Cu(111)上では孤立水分子が観測されたが、同様の手法でプラズモンによる反応を検討したが、プラズモン励起前後での変化は観測されなかった。このことから、銅表面上でもプラズモンによる水分子の分解反応は起こらないことが結論された。