2013 Fiscal Year Annual Research Report
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24246013
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
福谷 克之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10228900)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
笠井 秀明 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00177354)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 表面 / 水素 / スピン / 異方性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，表面での散乱・反応におけるスピン状態分布をレーザー分光法を用いて観測することで，水素と表面との相互作用の詳細を明らかにし，散乱・反応におけるスピン機構を解明することを目的としている．本年度は，昨年度までに開発した水素原子・分子線装置のさらなる開発と金属表面における水素吸着・付加反応に関する実験を行った．また，昨年度開発したファンデルワールス－第一原理電子状態計算により水素分子の吸着状態とスピン転換の理論計算をおこなった．
ビーム実験を進める過程で，散乱角度に異方性があることが判明し，この解析が重要であるという認識に至った．このため詳細な散乱角度分布を測定可能な装置を開発した．水素の共鳴イオン化用ミラーを自動掃引することで，レーザー光の位置を変化させ，試料からの放出角度分布を測定できるようにした．
前年度まで研究を行ったAuPd(110)試料表面における水素付加反応計測を行った．表面でのAu偏析度の異なる表面を準備し，この表面での炭化水素への水素付加を調べたところ，この表面では水素付加は全く起こらず，その代わり同位体置換反応が生じることを見いだした．新たに，水素反応基板としてSrTiO3表面の研究に着手した．水素ダイナミクスには表面の電子状態制御が重要である．電子線照射を利用して表面酸素欠損濃度の制御を試み，表面電子状態を光電子分光で調べ，酸素欠損濃度の増加に伴い表面が絶縁体から金属に変化することを見いだした．さらにこの表面に水素を吸着させると，水素が酸素に配位して電子ドープする場合と酸素欠損に侵入して電子吸引する場合があることを見いだした．この表面で水素分子の散乱を調べ，核スピン状態に応じて角度分布が異なることを明らかにした．
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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
相互作用ポテンシャルを明らかにするために，水素分子の角度分布を調べることが有効であることが実験・理論から明らかとなったため，水素分子散乱実験に注力することとした．ミラーの精密掃引，それに同期したレーザー発振，イオン信号の取得などすべて順調に動作し角度分布の測定に成功した．ただし，共鳴イオン化用色素レーザーの予期せぬ故障があったため，予定を変更し研究期間を延長したが，予定した課題をすべてクリアし目的を達成した．
水素付加反応のための基板としてAuPdを検討し実験を行い，水素会合反応としては新たな情報が得られたが炭化水素への水素付加は生じないことが判明し，別の基板を検討することとした．ただし，他では見られない完全同位体交換という現象が見つかり，重要な成果となった．AuPdに加えて，新たにSrTiO3表面とAg(111)表面，Pd(110)表面の研究に着手した．SrTiO3表面については，試料処理や電子線照射による表面酸素欠損濃度制御に成功し，目的を達成した．特に酸素欠損濃度と表面水素濃度に応じて表面が金属―絶縁体転移をするという結果，および表面水素が正・負の両極性を示すという結果は重要な成果と考える．このSrTiO3表面での水素分子の散乱角度分布の回転量子数依存性の観測に成功し，これも全く新しい成果であり十分目的を達成した．
従来の第一原理計算にファンデルワールス力を考慮した汎関数を導入することに成功し，信頼性のある結果が得られた．水素-表面相互作用を解析する上で不可欠の要素であり，十分目的を達成した．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，開発した水素分子散乱装置を用いて研究を進める．実験結果を解析した範囲では，角度分解能の向上が望まれる．そのための方策として，ビーム径をより小さく絞ることで試料上のサイズを小さくすること，観測レーザー光までの距離を離すことが考えられる．ビームを小さくし距離を離すと信号強度が小さくなるためビーム強度の増大が必要となる．また距離を離したところでレーザー光を掃引することが困難なため，レーザー光位置を固定し試料を精密回転させる必要がある．これらの点を改善するため，精密試料回転ステージの導入，自動回転機構の開発，高輝度用パルスバルブの導入とアパチャー系の改良が必要であり，次年度はこれらの研究項目に着手する．またビームの速度・回転温度観測も不可欠なため，ドップラー効果と回転状態分布の測定を通じてビームの解析も行う．
試料としては，引き続きSrTiO3表面とAg(111)表面，Pd(110)表面での実験を進める．上記分解能の向上をはかった装置を利用して，本年度見いだした角度分布の回転量子状態依存性について詳細な実験を行う．J=0,1に限らずより大きなJでのデータを取得し，さらに試料温度を変化させた実験を行う．また温度変化を利用した熱脱離も試み，回転量子状態依存性を調べる．Pdについては試料処理法の確立，水素吸着状態の解析，水素会合脱離の解析などを進める．
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