2020 Fiscal Year Research-status Report
Nanoscale photoelectronic properties of graphene oxide revealed by STM multi-spectroscopy
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20K21114
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
片野 諭 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (00373291)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | 酸化グラフェン / 走査トンネル顕微鏡 / 走査トンネル分光 / 走査トンネル顕微鏡発光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酸化グラフェン(GO)の光電子物性は、導電性のsp2ドメインと、酸素官能基が接続された絶縁性のsp3ドメインで構成されるナノ構造で支配される。特にsp2ドメインのサイズや空間分布は、電気伝導や発光などGOの機能性を決定する主な要因となるが、それらナノドメインを微視的に評価できない問題を抱えていた。例えば、ナノ構造の物性を個々に評価できるツールとして走査トンネル顕微鏡(STM)が挙げられるが、絶縁性ドメインを含むGOは導電性が低いためSTMで観察できないとされていた。我々のグループでは、水の除去と単層観察によりこれまで不可能とされていたGOのSTM観察に成功し、これまでのGO研究の概念を覆した。ここで、STMナノスペクトロスコピーがブレークスルー技術となり、振動・電子状態や光物性などGOの機能性に関わるナノ物性が一気に解明される挑戦性の高い本研究の着想を得た。本研究課題では、一つ一つの原子や分子の特性を個々に調べることができるSTMスペクトロスコピーを駆使して、これまで不明だったGOのナノ光電子物性を解明することを目的とした研究を行う。研究初年となる令和2年度では、超高真空装置の改良と試料基板の作製方法について検討を行った。具体的には、超高真空装置に質量分析器を導入した。その結果、真空装置の清浄度の評価、および加熱処理および光照射に伴う脱離種の同定に対応できるようになった。また、GOの単層分散が高密度に実現される溶媒種、基板種の最適化を検討した。その結果、親水性や疎水性などの基板の濡れ性によってGOの吸着構造が大きく変わることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本課題では、GO試料基板の作製と、STM発光や走査トンネル分光などの多元STMスペクトロスコピーによってGOのナノ光電子物性を明らかにする研究を3年間で実施する。研究初年となる令和2年度では、超高真空装置の改良と試料基板の作製方法について検討を行った。具体的には、超高真空装置に質量分析器を導入した。その結果、真空装置の清浄度の評価、および加熱処理および光照射に伴う脱離種の同定に対応できるようになった。また、GOの単層分散が高密度に実現される溶媒種、基板種の最適化を検討した。本研究では、Au(111)表面に親水性と疎水性の有機単分子膜を形成させて表面の濡れ性を制御した。有機単分子膜としてオクタンチオールの自己組織化単分子膜と、強い疎水性を示すフルオロデカンチオールの自己組織化単分子膜を使用した。真空蒸着装置を用いてマイカ基板上にAu(111)単結晶表面を作製し、その上に目的とする自己組織化単分子膜を作製した。スピンコートによりGOを基板表面に吸着させて目的とする基板を得た。走査型電子顕微鏡と原子間力顕微鏡を用いて試料表面の構造を観察し、Raman分光法を用いて試料表面の化学状態を評価した。その結果、弱い疎水性を示すオクタンチオール分子膜上でGOの単層状態吸着が比較的得られやすいことを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
単層吸着したGO基板の作製とその分散状態の評価を引き続き行い、STM計測に適した試料基板を再現性よく作製できるようにする。このような試料基板をつかって、STMによるナノ構造観察と、STMスペクトロスコピーによるGOの電子状態の解明する研究に取り組む。今後、STMを機軸として未開拓であるGOのナノ物性解明に取り組む挑戦的な研究を推進し、応用上極めて重要となる電気伝導に関与するドメインや発光増強や消光に関与するドメインの同定を目指す。
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| Causes of Carryover |
2020年のCOVID-19感染拡大に伴い、学会や研究会がオンライン発表・中止となり、また予定していた共同研究がオンラインによる打ち合わせとなった。そのため、旅費等の支出が無かったため次年度繰越金が生じた。繰越金の用途として、2021年度に振り替えられた学会の発表、予定されていた共同研究にあてる。
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Research Products
(3 results)
