2022 Fiscal Year Annual Research Report
金属クラスターへの希土類元素の添加効果：極微金属中でのs-f電子間相互作用の解明
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19K05185
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
荒川 雅 九州大学, 理学研究院, 助教 (10610264)
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2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 金属クラスター / s-f電子相互作用 / s-d電子相互作用 / 電子局在/非局在 / ランタノイド / 反応経路 / 反応カイネティクス / 超原子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、量子化された状態密度を持つ有限個の伝導s電子と局在f電子との相互作用を探究するため、酸素との反応性をプローブとして、気相のランタノイド添加銀クラスターの電子構造を調べる。マグネトロンスパッタ法で生成したランタノイド添加銀クラスター正イオンを四重極質量選別器でサイズ選別し、イオントラップに捕捉した。反応時間を変えながら酸素との反応を調べ、反応物と生成物の強度の時間変化から反応速度係数を算出した。
今年度は、主にこれまでの実験で得られたデータを詳しく解析し、学術論文の出版に加え、学会での招待講演などで成果の発信を行った。特に、セリウム添加銀クラスター正イオンおよびサマリウム添加銀クラスター正イオンと酸素との反応の生成物とカイネティクスを詳しく解析した。銀クラスターにセリウム・サマリウムのどちらを添加した場合でも、小さいサイズでは添加のない銀クラスターに比べて５桁程度高い反応性を示したが、あるサイズで反応性が急激に減少した。反応性の低下と同時に生成物が変化することを見出し、ランタノイドの内包により反応サイトがランタノイドから銀へと変化したことを示した。カイネティクスの詳しい解析から、セリウムを添加した場合には、サイズの増加に伴って内包構造に変化したクラスターが、さらに大きなサイズでは再びセリウム原子が露出した構造を取ることを見出した。
低い反応性を示した大きなサイズの中で、セリウム添加では銀原子数16、サマリウム添加では銀原子数15のクラスターが反応性極小を示し、電子閉殻の形成が示唆された。d電子は非局在化して閉殻に寄与する一方、f電子の非局在は電子閉殻構造に寄与しないことが示唆され、f電子が非局在化しない原因について考察した。
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