2011 Fiscal Year Research-status Report
コア・シェル型クラスターの作製方法と表面・界面効果による機能発現に関する研究
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23560785
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
日原 岳彦 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60324480)
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| Project Period (FY) |
2011-04-28 – 2014-03-31
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| Keywords | ナノ粒子 / 超伝導 / 燃料電池 / 触媒 / クラスター / エキシトン |
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| Research Abstract |
マクロな系で2相分離する性質を利用し、ナノサイズの粒子（クラスター）でコアシェル型やバイメタル型の複合構造を実現すべく、対向ターゲット方式のプラズマ・ガス凝縮クラスター堆積装置を用い研究を行った。平成23年度に得られた実績は次の2点に集約される。（１）エキシトン型超伝導の可能性があるSn/p-Siコアシェル型クラスターの作製を試みた。作製した試料の透過電子顕微鏡観察では、粒子の中央と表面でコントラスト差が観察され、コアシェル型クラスターの生成が確認された。電子回折によると、作製した全てのクラスターはβスズ構造である。また、電気伝導の測定では、Si組成の増加に伴い電気伝導特性が金属的から半導体的に変化し、金属的な試料ではbulk Snの超伝導転移温度3.7Kよりも高い温度で超伝導に転移することが判明した。ｐ-Siのホールを媒介とする電子間相関によるエキシトン型超伝導により転移温度が上昇したものと推察される。（２）AuとCoの同時スパッタリングにより、Au-Co複合クラスターを作製した。透過電子顕微鏡観察によると、部分的にAuとCoの２相分離へテロ構造を有するバイメタル粒子が形成されていることが確認された。この複合クラスターを導伝性カーボンペーパー上に堆積し、アノード側の電極触媒に適用した固体高分子型燃料電池の出力電力測定を行い、単一金属クラスターの電極触媒と比較検討をおこなった。その結果、純Auクラスターを堆積させた試料の触媒性能が最も良好で、純Coを堆積させた試料が最も悪かった。純Coクラスターの触媒特性が発現できなかった原因は、Coクラスターの表面に酸化被膜が形成されたことによると考えられる。また、リガンド効果は確認できなかったことから、触媒特性はクラスター表面に存在するAu原子の比率により決まることを示している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成23年度は、年度当初に策定した研究目的に従って研究を遂行し、以下に述べるように当初計画を上回る研究を実施することができた。（１）Sn/Siコア・シェル型クラスターの作製と超伝導物性の評価：超伝導に転移するSnがシェル位置に来るような作製方法を検討した。２元素の蒸気を混合する時期を遅らせ、適当なサイズのクラスターに成長させた後混合する場合や、コア・シェルクラスターの作製では、表面エネルギーの制御が重要であるので、微量な酸素または窒素を導入を実施し、実験結果について検討をおこなった。（２）酸化物クラスターおよび薄膜の室温強磁性に関する研究：これまでZnO、SnO2、In2O3の薄膜（膜厚100nm程度）とZnOクラスターで実験をおこない、室温で強磁性が発現することを確認しているが、磁性遷移金属が不純物として混入した可能性も排除できないため注意深い実験が必要である。本年度は、抵抗加熱方式の真空蒸着法やパルスレーザー蒸着法など、他の物理蒸着法で酸化物薄膜の作製をおこない、不純物混入について検討を行った。（３）コア・シェルおよびバイメタル合金クラスターの新規触媒探索：Ptを含まない合金系としてAu/Coの触媒機能の調査を実施した。固体高分子形燃料電池では、粒子サイズと触媒を担持するカーボンの形態を制御し、触媒／燃料／電解質の３相界面の面積比を向上させる技術開発も重要である。このため、新規合金触媒の探索と同時に、クラスター作製装置のスパッタ室に希ガスとともにメタンガスを導入する方法やカーボンとの同時スパッタをおこない、クラスター表面がカーボンで部分的に被覆されたAu/C複合ナノ合金粒子の作製方法についても検討を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成24年度は次のように研究を推進する予定である。(1)Sn/Siコア・シェル型クラスターの作製と超伝導物性の評価：Siシェル層におけるアクセプターの不純物濃度を、Si中のAl濃度を変化させながらコア・シェルクラスターの作製を行う。エキシトン型の超伝導であれば、ホール濃度の増加と共に転移温度の変化が観測されると思われる。 (2)酸化物クラスターおよび薄膜の室温強磁性に関する研究：他の研究グループの研究結果によると、飽和磁化の大きさが酸素欠損量に依存しているとの報告がある。酸素欠損濃度はカチオン欠損とある種の均衡を保っていると考えられるので、酸素欠損が強磁性の起源であると考えるのは間違いであると推測している。この仮説に立てば、他の金属イオンをドープすることでカチオン欠損濃度と酸素欠損濃度を独立に制御でき、室温強磁性の起源に迫ることが出来ると考えられる。(3)コア・シェルおよびバイメタル合金クラスターの新規触媒探索：価電子帯構造がPtと類似しているW-C系のクラスターに注目している。作製した試料は、透過電子顕微鏡で観察し、合金クラスターの組成分布、粒子サイズ、分散状態等を評価する。また、導電カーボンペーパー上に合金粒子を堆積させ、これを電極触媒としてアノード極に用いた固体高分子形燃料電池の出力特性評価を行い、単一金属クラスターと比較することによって、電極触媒としての応用の可能性を検討する。当初目標を達成できない場合、単にPtを100%置き換えるのではなく、Ptの使用量を削減することも重要であるので、Pt-MあるいはPt/M（Mは他元素）の検討も行いたい。 さらに、これまで得られた知見から、気相合成法によるコアシェル型やバイメタル型粒子の生成プロセスを確立するとともに、ナノレベルのヘテロ構造による新規機能発現を求め、研究をさらに進展させる。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
平成24年度の研究費使用計画について、物品費として500千円を計上している。物品費は、研究を遂行する上で必要な消耗品費の購入に充てる予定である。そのの内訳は真空部品・基板材料、試薬・分析セル類、ガス類、金属・酸化物ターゲット、等である。旅費は500千円を計上している。研究調査、研究成果の発表で日本金属学会などの学会に出席するための旅費である。なお、大学院博士前期・後期課程の学生7名の旅費も含む。その他、研究成果を学術雑誌に投稿するための費用として、その他の項目に200千円の予算を計上した。
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Research Products
(17 results)
