2014 Fiscal Year Research-status Report
化学反応“その場”観測のための光電子透過窓を用いた実作動環境制御セルの開発
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26390120
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| Research Institution | Japan Synchrotron Radiation Research Institute |
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Principal Investigator |
池永 英司 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 研究員 (90443548)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 硬Ｘ線光電子分光 / 固気・固液界面 / 雰囲気制御セル / 光電子透過窓 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は高真空内に湿潤な試料環境を保てる雰囲気制御セルを開発し、反応中の化学状態や電子状態の“その場”観測を行う。従来の光電子分光は測定試料環境に高真空（10-6Pa以上）が必要で、湿潤な試料の適応が困難であった。SPring-8で開発された硬Ｘ線光電子分光法（HAXPES）を湿潤試料測定法へと高度化し、この問題を解決する。光電子透過窓を用いた実作動環境セル開発を行い、実デバイスへの応用実現に必要な要素技術を確立し、広い研究分野へ展開するため、高い汎用性を図る。
実験条件は光電子窓から透過した微弱な信号を統計精度良く計測するため、いかに光電子強度・検出効率を上げるかが重要である。この問題を克服するために、立体角±34°程度の広角対物レンズ（開発済：既存）を併用した。この対物レンズの最大の利点は試料角度を変えることなく、一度に広角度の光電子放出角度依存性を観測し、深さ分析が可能なことである。また励起光はSPring-8放射光施設で高エネルギーおよび高密度X線を用いた。
研究開発したセル機構はポリイミド膜厚10μmおよびSi3N4－メンブレン薄膜（厚：15nm）を用いることで高真空槽内（5×10-6 Pa）にリークなく保持することに成功した。光電子透過窓と試料位置間の距離を15μmと短くしたセル機構を開発し、KBミラーを用いた1μm集光に本開発環境セルを適応させた。入射エネルギーを6,8,10keVと変えてAu4f光電子分光計測から光電子透過窓の影響を調査した。励起エネルギー6keVでの光電子はSi－メンブレン膜厚15nmを透過できないことが分かった。また入射エネルギーを8、10keVと雰囲気セル内圧をN2およびHeガスを用いて変化させ、Au4fのシグナル強度を調査した。この強度変化は8keV、10keVともに同様な強度変化をすることが分かった。これから測定範囲の真空度では光電子強度の気体による減少は光電子の運動エネルギーには依存しないことを見出した。
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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
環境制御セル機構の主な特徴はX線を透過する窓と光電子を透過する窓を分けて構成しており、窓材自体から励起された光電子の検出を避ける点である。8keV程度の硬X線で励起された高い運動エネルギーをもつ光電子の非弾性平均自由行程(IMFP)は15nm程度であることを利用して、メンブレン膜を透過した光電子の運動エネルギーを測定する。H26年度開発した「ガスフロー用環境制御セル」は、メンブレン膜厚15nmのSi3N4を光電子透過窓として用いることで、高真空内（10-6Pa以上）に大気圧下で湿潤な試料環境を保ち、N2およびHeガス雰囲気下で透過したAu4f光電子の運動エネルギー観測を達成した。
また固液界面の光電子計測を目的に計画していた「フロー循環型液体用セル」の開発も並行して行った。こちらも高真空槽内（5×10-6 Pa）にリークなく保持することに成功し、送液時の水圧と薄膜剥離の関係を調査し、最適な光電子透過窓材と膜厚の選定を行っているため、計画通り、おおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
H26年度に得られた結果を基にして開発する「フロー循環型液体用セル」は、X線を透過する窓と光電子を透過する窓を同一とする構成となるため、窓材自体から励起された光電子の検出を避けることができない。このため、一度に広角度の光電子放出角度依存性を観測し、深さ分析が可能である立体角±34°程度の広角対物レンズ（開発済：既存）を併用する。
自設計する「フロー循環型液体用セル」をSPring-8ビームラインに導入し、X線照射ダメージ、光電子透過窓に対する電子の平均自由行程を調査する。また水やエタノールのようなプロトン性極性分子の他にアセトン((CH3)2C=O)やアセトニトリル(CH3CN)のような非プロトン性極性分子溶液を循環させた環境下で角度分解深さ分析を行い、溶液本来の電子状態を観測する。特に燃料電池では、その発電プロセスにおいて、水が発生するため、セル内の水漏れの安全性や溶液本来の電子状態の情報を得ておくことが重要だと考えられる。
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| Causes of Carryover |
H26年度に試行開発した「ガスフロー用環境制御セル」機構に加熱機構を付加した「ガスフロー実作動環境制御セル」の製作費用が残額となった。これはH26年度で調査し得られた情報をもとに精査および再検討し、自設計したい意向があったためである。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
H27年度に「ガスフロー実作動環境制御セル」および固液界面の光電子計測を目的に計画している「フロー循環型液体用セル」の製作を行う。
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Research Products
(1 results)
