ケルビンプローブ力顕微鏡による酸化チタン表面の金ナノ構造体と電荷移動に関する研究

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20J20223
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 宮崎 雅大 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Keywords: 操作プローブ顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / ケルビンプローブフォース顕微鏡 / 表面光起電力 / 光触媒 / 半導体

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、酸化チタン表面上の一酸化炭素の酸化過程における金ナノ構造体と電荷移動現象の関係を原子スケールで解明することである。そのために本年度の計画は、Au/TiO2表面上の一酸化炭素の酸化過程における金ナノ構造体と電荷移動現象の関係を300 Kの室温環境において解明することであった。また室温での低ノイズおよび高安定化測定を目的として、測定系の改良に取り組む計画であった。
当初は計画していなかったが、前年度において、ケルビンプローブフォース顕微鏡（KPFM）を用いた表面光起電力測定の高分解能化および測定時間の短縮に関する研究（AC bias KPFM）が進展したことを踏まえて、本年度ではAC bias KPFMに関する研究をさらに深めた。本手法では、試料に印加する交流電圧の振幅をフィードバック制御に用いるという新たな方式を提案し、一度の画像化で表面光起電力の分布を取得できることを示した。一度で画像化することで、測定ドリフトや探針変化による測定精度への悪影響を抑制することができ、これまでより高分解能な表面光起電力分布の取得が可能となる。以上をまとめた結果をBeilstein Journal of Nanotechnology誌で発表した。
また新たな測定手法として、二重バイアス変調ヘテロダイン周波数変調KPFMを提案した。本手法により、位相同期回路の帯域を超えた高周波の交流電圧（数MHz）に対する静電気力の基本波成分と二倍波成分を同時に測定することが可能となった。従って、高周波電圧に対するCPDと同時に、誘電率やキャリア密度といった物理量をナノスケールの高空間分解能で測定することが可能となる。以上をまとめた結果をApplied Physics Letters誌で発表した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] High-low Kelvin probe force spectroscopy for measuring the interface state density (2023)
  • Author(s): Izumi Ryo、Miyazaki Masato、Li Yan Jun、Sugawara Yasuhiro
  • Journal Title: Beilstein Journal of Nanotechnology Volume: 14 Pages: 175～189
  • DOI: 10.3762/bjnano.14.18
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dual-bias modulation heterodyne Kelvin probe force microscopy in FM mode (2022)
  • Author(s): Miyazaki Masato、Sugawara Yasuhiro、Li Yan Jun
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 121 Pages: 241602～241602
  • DOI: 10.1063/5.0129433
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hybrid mode atomic force microscopy of phase modulation and frequency modulation (2022)
  • Author(s): Yamamoto Tatsuya、Miyazaki Masato、Nomura Hikaru、Li Yan Jun、Sugawara Yasuhiro
  • Journal Title: Microscopy Volume: 57 Pages: -
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfac057
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct measurement of surface photovoltage by AC bias Kelvin probe force microscopy (2022)
  • Author(s): Miyazaki Masato、Sugawara Yasuhiro、Li Yan Jun
  • Journal Title: Beilstein Journal of Nanotechnology Volume: 13 Pages: 712～720
  • DOI: 10.3762/bjnano.13.63
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] The charge state of steps on TiO2 anatase (101) by AFM/KPFM (2023)
  • Author(s): Jiuyan Wei, Masato Miyazaki, Yasuhiro Sugawara, and Yan Jun Li
  • Organizer: 2023年応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 界面状態密度を測定できる高周波と低周波の交流バイアス電圧を用いるケルビンプローブ力分光法 (2023)
  • Author(s): 和泉 遼, 宮崎 雅大, 李 艶君, 菅原 康弘
  • Organizer: 2023年応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] AC bias KPFMによるTiO2(110)表面上の表面光起電力の直接測定 (2022)
  • Author(s): 宮崎 雅大, 菅原 康弘, 李 艶君
  • Organizer: 2022年度関西薄膜・表面物理セミナー
• [Presentation] 交流電圧制御法KPFMとEFMの複合による光起電力・接触電位差・静電容量の同時測定 (2022)
  • Author(s): 宮崎 雅大, 能登 健太, 菅原 康弘, 李 艶君
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Measurement of spatially resolved surface photovoltage on TiO2(110) by ac bias KPFM (2022)
  • Author(s): Masato Miyazaki, Yasuhiro Sugawara and Yan Jun Li
  • Organizer: 23rd International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] New ultra-fast method for measuring tunneling rates between an AFM tip and on-surface species (2022)
  • Author(s): L. Kantorovich, Y. Adachi, J. Brndiar, H. F. Wen, Q. Zhang, M. Miyazaki, S. Thakur, Y. Sugawara, H. Sang, Y. J. Li, and I. Stich
  • Organizer: 23rd International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • Int'l Joint Research