2014 Fiscal Year Research-status Report
ガスクラスターイオンビームによる有機高分子の選択的結合破断と表面分析への応用
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26810077
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
盛谷 浩右 兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20391279)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | SIMS / GCIB / 主成分分析 / クラスターイオンビーム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、運動エネルギーと大きさを精密に制御した気体クラスターイオンを有機分子薄膜に照射し、スパッタリング時に起きる分子内化学結合の破断を制御することで、二次イオン質量分析（SIMS）におけるスペクトル解析を大幅に簡略化し、分子種の同定を容易にすることである。平成26年度はまず第一段階として、分子層の膜厚および荒さを原子間力顕微鏡（atomic force microscope：AFM）で測定しながら、高分子やアミノ酸など複数のモデル試料の作製方法を検討した。高分子モデル試料のポリビニルピロリドン（Polvinylpyrrolidone, PVP：(C6H9NO)n)および、ポリ4-ビニルピリジン（Poly(4-vinyl pyridine), P4VP：(C7H7N)n）試料を、Eatomを変えながら複数回SIMS測定しスペクトルを比較したところ、SIMSスペクトルには、試料ポリマーのモノマーユニットを含む代表的な解離イオン種が検出されることがわかった。そこで、代表的な解離イオン種のピークを抜き出し、その強度のEatom依存性を主成分分析の手法を用いて解析した。スコアプロットとローディングプロットから、それぞれのピーク強度のEatomに対する傾向を考察したところ、PVPでは、Eatomを大きくしていくと、まず主鎖の切断がおこり、次に環状構造部が切断され、続いて5員環ラクタム構造が破壊されることが、P4VPでも、Eatomの増大と共に、環状構造が破壊されていくことがわかった。また、環状構造が破壊させる閾値エネルギーが六員環と五員環で異なることがわかった。この結果は、分子構造の違いにより結合破断の閾値エネルギーが異なることを示しており、今後有機分子試料のスパッタ過程の制御方法を確立するための重要な基礎データとなる。
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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
平成26年度は、膜厚と荒さに再現性のある試料の作製方法を検討した。これにより、表面荒さがほぼ同じで分子構造が異なる複数のモデル試料が作製可能となり、再現性の良いSIMSスペクトルを得られるようになった。そのようにして作製したモデル試料に、運動エネルギーと大きさ(クラス ターサイズ;クラスターの構成原子数)を精密に調整しながらArクラスターイオンを照射してSIMS測定を行った。また、得られたSIMSスペクトルを多変量解析（主成分分析、多変量スペクトル分離）するためのプログラムを作成した。実験では、これらの解析法により、SIMSスペクトルのEatom依存性を分類し、定性的に解釈できることがわかった。また、化学結合破断の閾値エネルギーが分子構造によってことなることがわかった。現時点では、サンプル数が少ないため、分子構造と化学結合破断の閾値エネルギーを系統的に示すことは難しいとはいえ、窒素含有五員環、六員環の結合を破断するための大凡のEatom値の目安は示された。次年度以降は、測定回数およびサンプル数を増やし、より正確な関係性を詳細に調べていくための基礎データが得られた。以上より、研究の進展はおおむね順調と考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
GCIB-SIMSのスペクトルのEatom依存性の解析法を確立するためには、様々な構造をもつ有機分子や高分子からなる比較的単純な分子構造の試料を数種類を作製し、それらから得 られる二次イオンスペクトルを元にして、複雑なスペクトル解析法の基本的な考え方を確立する必要がある。 第一段階として、複数のモデル試料の測定結果から、分子構造(官能基の種類)とクラスターイオンの照射条件(Eatom 、クラスターの大きさ等)により解離パターンおよび結合解離の閾値が変化することを見いだした。閾値エネルギーの違いを分子構造に対応させるためには、閾値をより正確に求める必要があり、測定回数を増やし統計的な誤差を小さくする必要がある。そのため、大量のスペクトルを測定可能にするために、SIMSの自動測定システムおよびスペクトルの自動解析システムを開発する。また、さらに数種類のモデル試料を作製し２６年度同様にEatom依存性の解析を行う。収集したデータをシミュレーション結果と比較し、結合解離に必要なGC IBのEatomと分子内の化学結合エネルギーを対応づける。 その結果を基に、未知試料の分子構造や化学量論比をGCIB-SIMSにより決定することを試みる。まず第一段階では、それまでに調べ たモデル試料が混合した試料を作製して擬似的な未知試料としGCIB-SIMSにより解析する。またその後、未知試料をGCIB-SIMSスペクトル測定し26年度、27年度で構築した統計解析手法てによる分析を試みる。
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