ホウ素ドープグラフェンの局所電子状態の解明と制御

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Science of Atomic Layer Systems
• Project/Area Number: 26107507
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 中村 潤児 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40227905)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: グラフェン / ホウ素ドープ / 走査トンネル分光法 / 局所電子状態 / 触媒機能

Outline of Annual Research Achievements

グラフェン（およびグラファイト系炭素）の反応性の起源が局所的に現れる非結合性pz軌道であるという概念を我々は提案している。窒素ドープグラファイトを走査トンネル分光（STS）で測定すると、窒素種の近傍に非結合性pz軌道が出現し、さらに窒素種によって非結合性pz軌道がフェルミレベルより低エネルギー側や高エネルギー側にシフトすることを見出した。本研究では、ホウ素ドープグラフェンの局所電子状態を調べることを目的としている。初年度は、種々のホウ素種の作り分けを検討した。第一に我々が窒素ドープグラフェンの解析で培ってきたドープ方法（イオン衝撃法）、第二にグラフェン粉末に酸化ホウ素を反応させる方法を用いてホウ素をドープすることにした。ホウ素のみをグラフェンに任意の運動エネルギー（1 eV~1.5 keV）で照射可能なイオン銃の製作を行った。このイオン銃はプラズマを用いたイオン化部、ウィーンフィルタと呼ばれる電磁石を用いたイオン質量選別部、イオン極性選別部、および超低速エネルギー制御部から構成される。本イオン銃はBとCの結合エネルギー程度の（数eV）から1.5 keVまでの高範囲で衝突エネルギーを制御できるため、高精度にドーパントであるホウ素の配位構造を制御することが期待され、ホウ素種の良く定義されたホウ素ドープグラフェンの調製が期待できる。まもなくドープ実験を開始できる状況にある。第二の方法として、固相反応によるドープも行った。粉末のグラフェンに酸化ホウ素B2O3を混合して固相反応によりホウ素をドープした。酸化ホウ素とグラフェンとの反応ではBC3のようなホウ素種は生成せず、エッジ部の酸化ホウ素種が生成することがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

グラフェンへのホウ素ドープの実験研究では、サンプル調製が最も重要な段階であり、研究の質を決めるものである。我々は、エネルギーやイオン極性を精密に制御した新しいイオン衝撃法を試みている。そのための新しい装置を試作し初年度に立ち上げることができた。

Strategy for Future Research Activity

今後、ホウ素種が均一な試料を調製して電子状態を走査トンネル分光法（STS）やX線光電子分光法（XPS）で電子状態を調べる。試料として、BC3はイオン衝撃法で、エッジ部位のBC2O種は固相反応を利用する。すなわち、ホウ素ドープグラフェンの局所電子状態をSTSで測定すると、ホウ素種の近傍に非結合性pz軌道が出現し、さらにホウ素種によって非結合性pz軌道がフェルミレベルより低エネルギー側や高エネルギー側にシフトすることが期待される。これはホウ素種が正または負に荷電するのに伴って、近傍の炭素のポテンシャルが変化することに起因する。非結合性pz軌道が占有状態になれば「塩基点形成」が、非占有状態であれば「酸点形成」とみなせる。以上が我々の提案する炭素原子の局所的反応性の発現モデルである。本研究では、ホウ素ドープグラフェンの局所電子状態（非結合性pz軌道）を調べ、さらには窒素ドープとの比較から反応性概念の構築へ拡大発展させようという計画である