貴金属表面上における小さなフラーレンの重合体形成過程の解明と構造変化誘起の試み

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04936
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 黒川 修 京都大学, 工学研究科, 准教授 (90303859)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: フラーレン / 走査トンネル顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

我々はこれまでに，AuとAg表面にアークプラズマガン（APG)と呼ばれる，カソードアークの一種を用いて炭素蒸着を行うと，表面に形状の揃った構造が形成されることを見出し，報告してきた．走査トンネル顕微鏡（STM）による形状観察からこの構造はC20フラーレンの1次元重合体の可能性があり，研究を進めている．（以降この構造を「炭素ナノ構造」と呼称．）
本年度は，引き続きSTM観察とex-situでの赤外分光測定を行った．特に本年度は試料作製技術の改良を試みた．
これまでの研究からAu(111)表面よりはAg(111)表面上のほうがより容易に炭素ナノ構造が形成されることが知られており，本研究の基板としてはAg(111)表面が望ましい．多くの場合，Ag(111)表面は単結晶表面の超高真空システム下でのスパッタリングとアニーリングで作製される．我々もこれまで同様の方法での作製を続けていたが，この方法で作製される表面での(111)テラスの大きさはそれほど大きくない場合が多いことが問題であった．炭素ナノ構造はかなり広い範囲（数100nm以上）で原子オーダーで平坦な表面で形成される性質があるため，狭いテラスの形成は研究の大きな妨げとなってきた．そこで本年度は基板を単結晶から薄膜に変更し，研究を試みた．Ag薄膜において原子オーダーで平坦な表面を得ることはAuの場合よりは困難であるが，いくつかの方法が提案されており，我々は基板であるマイカをあらかじめ真空中でアニールしておく方法にて良好な表面を得ることができることを確認した．特に，ex-situで薄膜を作製した場合も，超高真空システムでの追加の処理において原子オーダーで平坦な表面を得ることができた．この方法を用いて本年度は1次元上に配列した炭素ナノ構造からアイランド状の集合体を形成することに成功した．またこの構造の赤外分光データを取得した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では我々の見出した炭素ナノ構造の構造同定と形成過程を明らかにすること，また電子線照射による構造変化を行うことが目的であるが，いずれにしても表面上に十分な量の炭素ナノ構造が形成されている必要があり，本年度の技術の改良でこれらの目的に向けた準備を行うことができたと考えている．
また，構造形成後に極々低温で（数十℃）アニールを行うことで，炭素ナノ構造をアイランド化した構造の作製にも成功した．ここに電子線照射を行うことで，目的の実験を行うことが可能となった．
なお，構造同定の研究においては，ラボでの赤外分光に加えて放射光施設での測定も試みた．炭素導入量を増加させると，炭素量が少ない場合とは異なる位置に吸収ピークが現れることが明らかになった．Gaussianを用いたシミュレーションの結果はこれらをC20フラーレンの2次元重合体として考えることが可能な結果となっている．一方，これまで「炭素ナノ構造」の吸収ピークであると考えられていた赤外吸収ピークに関して疑問を呈する測定データがラボでの実験で得られており，今後複数回の測定が必要であるが上記の実験手法の改良により頻回の測定が可能になっており，現在測定を進めている

Strategy for Future Research Activity

予定通り電子線照射装置の導入を行い，C20フラーレンの重合体と考えられる構造の構造変化を試みる予定である．またこれまでにも炭素ナノ構造は表面への結合が弱く，表面での移動が容易であるとの予想がなされていたが，今回数十℃のアニールでアイランド化に成功したことは，改めてこのことを裏付ける結果であり，計画しているSTM探針によるC20フラーレンの配列変更が成功する可能性は高い．使用しているSTM装置の制御プログラムの開発を行い，STM探針による配列の人工的な変更の研究に着手する予定である．
赤外分光に関しては，改めて測定が必要な状況であり，今後蒸着量を最大限増加させた試料にて測定を試みる予定である．

Causes of Carryover

別項目で述べたように，赤外吸収測定において再実験を要する結果が得られたため，この実験に注力しており，炭素導入時のバイアス電圧依存性の実験を次年度行うことにしたため．ただし，研究促進のための下地基板の品質の大幅な改良に成功しており，全体の進捗には問題が無い．2019年度予定通り電子線照射実験および炭素導入時のバイアス電圧依存性の研究を行う．