レーザー分光法と表面分析分光法による表面化学反応の素過程

• 研究課題/領域番号: 04045011
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 大学協力
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 川崎 昌博 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (70110723)
• 研究分担者: SPRINGSTEEN ラリー コーネル大学, 化学科, 助手 ; HO Wilson コーネル大学, 物理学科, 助教授 ; HOUSTON Paul コーネル大学, 化学科, 教授 ; 大橋 勝文 北海道大学, 電子科学研究所, 日本学術振興会特別研 ; 水野 清義 北海道大学, 触媒化学研究センター, 助手 (60229705) ; 早川 和延 北海道大学, 触媒化学研究センター, 教授 (80218552) ; 松見 豊 北海道大学, 電子科学研究所, 助教授 (30209605) ; 皆川 秀紀 北海道大学, 触媒化学研究センター, 助手 (70202348) ; WILSON Ho コーネル大学, 物理学科, 助教授 ; PAUL Houston コーネル大学, 化学科, 教授 ; 正源 聡 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (50216157) ; 栃原 浩 北海道大学, 触媒化学研究センター, 助教授 (80080472)
• 研究期間 (年度): 1992 – 1994
• 研究課題ステータス: 完了 (1994年度)
• 配分額: 4,800千円 (直接経費: 4,800千円); 1994年度: 2,000千円 (直接経費: 2,000千円); 1993年度: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円); 1992年度: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円)
• キーワード: レーザー分光 / 一酸化炭素 / 表面反応 / エッチング / エネルギー分布 / 塩素原子 / エネルギー移動 / 空間角度分布 / 表面光分解 / 表面配向 / トリメチルインジウム / 一酸化窒素 / 半導体 / トリメチルガリウム / ダイナミックス / ジメチルアルミニウムハイドライド / X線光電子分光法 / 分解 / シリコン基板 / 解離吸着 / メチル基 / レーザー光 / アルミニウム-炭素結合

研究概要

協力研究の一つとして、表面から光反応により脱離してくる原子・分子の並進・回転・振動エネルギー分布をレーザー分光法を用いて調べ、表面上での光分解初期過程・ダイナミックスならびに表面原子とのエネルギー移動過程について研究した。
コ-ネル大学ヒューストン研究室では、長年にわたりCO分子のレーザー分光を行ない、高感度レーザー検出法と得られた分光スペクトルの解析法について習熟している。そこで、北大から川崎・大橋がコ-ネル大学へ行き、それぞれ4週間、3ヵ月間滞在してCO分子の検出法を学んだ。その後、北大でまず行なったのはCO気体を用いた実験であり、電子励起一重酸素原子からCOへの電子エネルギー移動により生成するCO(v,j)を真空紫外レーザー分光法で検出した。この際、コ-ネル大学スプリングスティーン氏に解析を依頼し、共著論文をJ.Phys.Chem.誌の編者であるヒューストン氏に送り、受理・出版された。
次にOCS分子を選び、230nmの紫外光分解で生成するCOを気相で検出した。光解離により生成するCOの回転・振動分布はヒューストン研で1988年に測定した結果とよく一致したが、COの空間角度分布は異なった解析結果となった。この件について、ヒューストン教授ならびにホール氏と議論した結果、OCS分子の電子励起状態の帰属ならびにその構造のはっきりしない点が、実験結果の解析を不明確にしている理由であることがわかった。表面に吸着しているOCSの光分解を調べることは、これらの解析にも役立つ。そこで、表面吸着種の光分解により表面から脱離する分子を検出するため、レーザー分光用超高真空装置を組立てた。この装置のテストとして、検出感度の非常に高い金属原子を選んだ。ジメチルカドミウムの193nm光分解で生成するCd原子は、気相光分解において700Kの並進温度を有するが、低温基板から光解離により脱離してくる場合には基板温度と同じ並進温度であった。これは金属原子と基板との相互作用がたいへん強いことを示唆する。装置のテストを終了したので、現在、OCS分子からのCOを多光子吸収イオン化レーザー分光法により実験を行っている。
もう一つの共同実験としてGaAs基板表面の塩素原子によるエッチングにおける光照射効果を研究した。これはコ-ネル大学ホ-教授が従来から行なっているHREELS法による研究と対応させるためのである。GaAs(100)を塩素で処理すると表面上にはGaCl_x(x=1-3)が残る。これに193nm光を照射するとCl原子が減少することをXPS法にて確認した。355nmではその効果がないことから表面吸着種の直接光吸収による効果であることがわかった。
尚、大橋がコ-ネル大学に滞在中、ヒューストン研究室だけでなくホ-研究室でもGaNの物性研究を行ない、この際教えてもらった解析法により北大では水野がHREELSデータを解析し、結晶基板上のアルカリ原子の構造を決定でき、論文を出版した。
このようにコ-ネル大学化学教室ヒューストン教授ならびに物理教室ホ-教授との大学間協力研究は、気相-表面という境界領域での研究室であって、北大での組織も電子科学研究所-触媒化学研究センターと2部局にまたがり、たいへんユニークであり成果も上がった。コ-ネル大学においても両教授は共同研究を行ない、加熱炭素板と酸素との表面反応ダイナミックスをCO検出により研究している。

研究成果

• [文献書誌] M.Abe, Y.Inagaki, L.L.Springsteen, Y.Matsumi, M.Kawasaki: "Collisional excitation of CO molecules by O(^1D) atoms" J. Phys. Chem.98. 12641-12645 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Mukasa, H.Hasegawa, Y.Tazuke, K.Sueoka, M.Sasaki, K.Hayakawa: "Exchange interaction between magnetic moments of ferromagnetic sample and tip" Jpn. J. Appl. Phys.33. 2692-2695 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Mizuno, H.Tochikawa, T.Kawamura: "Alkali-metal adsorption on dissimilar alkali-metal monolayers preadsorbed on Cu(001)" Phys. Rev.B50. 17540-17546 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Abe, Y.Inagaki, L.L.Springsteen, Y.Matsumi, M.Kawasaki: "Collisional excitation of CO molecules by O ('D) atoms" J.Phys.Chem.98. 12641-12645 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Mukasa, H.Hasegawa, Y.Tazuke, K.Sueoka, M.Sasaki, K.Hayakawa: "Exchange interaction between magnetic moments of ferromagnetic sample and tip" Jpn.J.Appl.Phys.33. 2692-2695 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Mizuno, H.Tochikawa, T.Kawamura: "Alkali-metal adsorption on dissimilar alkali-metal monolayrs preadsorbed on Cu (001)" Phys.Rev.B50. 17540-17546 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] L.L.Springsteen: "Anisotropy and energy disposal in the 193-nm N_2O photodissociation measured by VUV laser-induced fluorescence of O(^1D)." J.Phys.Chem.97. 7239-7241 (1993)
• [文献書誌] S.Shogen: "Photodissociation of trimethylindium and trimethylgallium on GaAs at 193 nm studied by angle-resolved photoelectron spectroscopy." Jpn.J.Appl.Phys.32. 3099-3105 (1993)
• [文献書誌] K.Tonokura: "Photodissociation of ICl at 235-248 nm." J.Chem.Phys.99. 3461-3467 (1993)
• [文献書誌] Y.Matsumi: "Dynamics of the reactions of O(^1D) with HCl,DCl,and Cl_2." J.Chem.Phys.98. 8330-8336 (1993)
• [文献書誌] H.Jiang: "Gas desorption analysis on the surface of ZnO(0001) after hydrogen ion irradiation." Jpn.J.Appl.Phys.32. L806-L808 (1993)
• [文献書誌] N.Nagashima: "Si K X-ray-absorption spectra of single-crystal Si and amorphous SiO_2." Phys.Rev.B48. 18257-18260 (1993)
• [文献書誌] S.SHOGEN: "Photodissociation of trimethylindium on Si(111) at 193 nm." Thin Solid Films. 218. 58-61 (1992)
• [文献書誌] L.L.Springsteen: "Anisotropy and energy disposal in the 193-nm N 0 photodissociation measured by VUV laserinduced fluorescence of 0(^1D)." Chemical Physics Letters.