2015 Fiscal Year Annual Research Report
構造を規定した酸化物表面をテンプレートにした水分子の結晶化に対する電場効果の解明
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26600024
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
笹原 亮 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 研究員 (40321905)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 固液界面 / 走査トンネル顕微鏡 / 二酸化チタン / 結晶成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、水中で接近させた周波数変調原子間力顕微鏡（FM-AFM）の探針と酸化物表面間に局所高電場を発生させてH2O分子を特異的に結晶化させ、その結晶化プロセスを分子スケールで解析することを目的とした。研究の成果は、外場および水素結合や配位結合などで分子を配向・配列させる結晶工学に表面科学の手法を持ち込むものであり、ナノスケールの材料科学と表面科学の境界を切り拓く契機となることが期待できる。
昨年度、NbドープTiO2基板をテンプレートとする結晶成長が、Nbの表面偏析のために困難であることを見出した。そのため、本年度は非ドープTiO2表面をテンプレートとした研究を進めた。超高真空中で原子配列を規定したTiO2(110)-(1×1)表面を水中に導入して、FM-AFM探針-表面間のギャップに高電場を発生させたが、画像中のH2Oクラスターの形状や配列に変化は観察されなかった。そこで、水中に浸漬させた(1×1)表面を超高真空中に再導入し、表面の化学種を走査トンネル顕微鏡で解析した。その結果、酸性OH基、塩基性OH基、ヒドロペルオキシ（OOH）基、原子状酸素が表面に存在することがわかった。これらの化学種が水和層の脱離時に形成されることを、X線光電子分光解析の結果を合わせて明らかにした。この成果は、O欠陥を高密度に作製した(1×1)表面に水蒸気とO2を導入すれば、強固なOOH基が密に周期配列した、水分子の結晶化に適したテンプレートを作製できることを示唆する。また、電極モデル表面として用いられる大気加熱TiO2(110)表面が(1×1)様構造のTiO2微小片で形成されることを、研究過程で見出した。これは、電極表面の原子スケール情報の取得に繋がる成果である。以上の様に、本研究では水/TiO2界面の原子スケール構造に関する知見と原子スケールテンプレートの作製のための基盤情報を取得した。
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