2021 Fiscal Year Annual Research Report
Accurate determination of atomic positions of surface hydrogen using new RHEED method
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21H01819
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
深谷 有喜 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (40370465)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福谷 克之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10228900)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 電子回折 / 水素 / 表面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、反射高速電子回折（RHEED）法の高度化及び強度シミュレーションによる最適なRHEED条件の探査により、物質表面上の水素の原子位置を高精度に決定することを目的としている。本年度は、RHEED検出システムの構築及び多重散乱理論に基づく強度シミュレーションを実施した。
RHEED検出システムの構築では、低エミッション電子銃及び回折パターン観測システムを作製した。電子銃のエミッション電流は1 μAから100 μAまで可変であり、回折パターンの観測に用いたマイクロチャンネルプレートは最大10,000のゲインを有する。これにより、水素の電子衝撃脱離を極力抑えた回折パターンの観測が可能となった。これを、約20倍まで回折パターンを拡大可能な電子レンズシステムと組み合わせることにより、水素位置に敏感な条件である低視射角でのRHEED強度の観測が可能となった。
実験装置のセットアップに加え、応用上も重要とされるPd(100)表面上の水素吸着に着目して強度シミュレーションを実施した。シミュレーションの結果、対称性のよい[011]方位での低視射角入射の回折強度が水素位置に敏感なことがわかったが、そこから方位角を1～3°ずらした入射条件では回折強度が水素位置に対してより敏感に変化することを突き止めた。RHEED波動関数の詳細な解析から、表面波共鳴とは異なった新しいタイプの表面局在現象により水素位置の敏感性が増強されることがわかった。現在、本成果は学術誌に投稿中である。
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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
当初の計画通り、低エミッションRHEED電子銃を完成させ、ビーム径やエミッション電流等において所定の性能が得られていることを確認した。強度シミュレーションにおいては、水素位置決定のための最適なRHEED条件を見出し、学術誌への投稿に至っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、これまでの強度シミュレーションの結果を踏まえて、実際の物質表面上の水素の位置決定に着手する。基板表面として、水素との原子番号の差が比較的小さいNi(111)表面を選定する。ここでは、150 K程度に保たれたNi(111)表面への水素吸着により発現する2×2構造に着目する。したがって、始めに現有のマニピュレーターに冷却機構を付加する。これまでの強度シミュレーションにより、ロッキング曲線の解析だけでなく、方位角プロットも表面水素の位置決定に有効であることがわかってきたため、方位角変化のモーター駆動化も実施する。低温マニピュレーターの構築後、スパッタ・アニールによりNi(111)基板を清浄化し、Ni(111)-1×1清浄表面からのRHEEDロッキング曲線を測定する。動力学的回折理論に基づく強度解析からNi(111)表面の1×1構造の原子位置を決定し、これまでに報告されている文献値との比較から、原子レベルで平坦なNi(111)清浄表面の形成を確認する。その後、低温での水素吸着により2×2構造を作製する。強度シミュレーションにより得られている最適な実験条件に設定してRHEEDロッキング曲線及び方位角プロット測定を実施する。最終的には、動力学的回折理論に基づく強度解析から、Ni(111)表面上の水素位置を実験的に決定し、第一原理計算等により報告されている文献値と比較検討を行い、実験で決定した水素位置の妥当性を議論する。
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