超高真空～準大気圧をつなぐ環境制御型AFMの開発と光触媒表面の欠陥の影響の検証

• 研究課題/領域番号: 21K14534
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所 (2022-2023); 長岡技術科学大学 (2021)
• 研究代表者: 勝部 大樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (00831083)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 原子間力顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡 / 光触媒 / 水吸着 / 水吸着構造 / 表面 / 表面・界面物性

研究開始時の研究の概要

光触媒による水分解反応において、表面に存在する欠陥は反応活性点であると考えられている。しかし、この欠陥構造が実環境においても反応活性点であるかについては直接的な証拠は得られておらず、実環境でも反応性に影響を与えるのかについては明らかになっていない。
本研究では、超高真空環境から準大気圧環境まで水雰囲気を制御可能な環境制御型原子間力顕微鏡を開発する。さらに、開発した装置を用いて以下の研究を行う。
・表面欠陥と水の吸着構造の関係の原子スケールでの解明
・光触媒反応平衡状態における光触媒/水構造の原子スケールでの解明

研究成果の概要

本研究では、光触媒表面の水吸着について原子レベルの表面構造と水吸着の関係を理解するために、原子分解能観測中に水分子の曝露が可能な実験系の構築と水吸着の原子分解能観察を行った。ルチル型TiO2(110)-(1×2)表面においては特定の欠陥に水分子が吸着しない原因を解析した。アナターゼ型TiO2(101)表面では、局所構造と関係なく、ランダムに水分子が吸着することがわかった。また、SrTiO3(100)-(√13×√13)表面では特定の構造に水吸着することを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で構築した実験系は、材料表面における水吸着の原子スケール観測を可能にした。これは、水の吸着が関わる現象(光触媒反応や酸化反応)の理解に貢献できる。
また、光触媒表面の水分子吸着挙動の理解は、光触媒反応素過程の理解を進展させ、表面設計による光触媒効率向上のための材料設計指針の構築への道を拓くものである。

研究成果

• [雑誌論文] Identification of OH groups on SrTiO₃(100)-(13×13)-R33.7° reconstructed surface by non-contact atomic force microscopy and scanning tunneling microscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Katsube Daiki、Shimizu Ryota、Sugimoto Yoshiaki、Hitosugi Taro、Abe Masayuki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 122 号: 7 ページ: 071602-071602
  • DOI: 10.1063/5.0139493
  • 査読あり
• [雑誌論文] 超音速酸素分子線を用いたアナターゼ型TiO₂(001)表面の酸素欠損の修復 (2022)
  • 著者名/発表者名: 勝部大樹，大野真也，稲見栄一，吉越章隆，阿部真之
  • 雑誌名: 表面と真空 巻: 65 号: 11 ページ: 526-530
  • DOI: 10.1380/vss.65.526
  • ISSN: 2433-5835, 2433-5843
  • 年月日: 2022-11-10
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 表面機能コア解析のための装置開発と応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: Abe Masayuki、Katsube Daiki、Yamashita Hayato、Inami Eiichi、Custance Oscar
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 61 号: 10 ページ: 645-650
  • DOI: 10.2320/materia.61.645
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • 年月日: 2022-10-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxidation of Anatase TiO₂(001) Surface Using Supersonic Seeded Oxygen Molecular Beam (2021)
  • 著者名/発表者名: Katsube Daiki、Ohno Shinya、Takayanagi Shuhei、Ojima Shoki、Maeda Motoyasu、Origuchi Naoki、Ogawa Arata、Ikeda Natsuki、Aoyagi Yoshihide、Kabutoya Yuito、Kyungmin Kim、Linfeng Hou、Fengxuan Li、Tsuda Yasutaka、Yoshida Hikaru、Nishi Shizuka、Sakamoto Tetsuya、Inami Eiichi、Yoshigoe Akitaka、Abe Masayuki
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 37 号: 42 ページ: 12313-12317
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c01752
  • 査読あり
• [学会発表] 非接触原子間力顕微鏡によるルチル型TiO2(110)-(1×2)表面のline defectの研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 勝部 大樹、横井 達矢、稲見 栄一、李 豊xuan、松永 克志、阿部 真之
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Non-contact atomic force microscopy imaging of line defect on rutile TiO2(110)-(1×2) (2023)
  • 著者名/発表者名: Daiki Katsube, Tatsuya Yokoi, Eiichi Inami, Fengxuan Li, Katsuyuki Matsunaga, Masayuki Abe
  • 学会等名: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • 国際学会
• [学会発表] Structural and electrical properties of lattice-work structure formed on a rutile TiO2(001) surface studied by scanning probe microscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Seiga Koga, Ahmed Mohamed Sayed Aly, Linfeng Hou, Daiki Katsube, Masayuki Abe, Eiichi Inami
  • 学会等名: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • 国際学会
• [学会発表] Non-contact atomic force microscopy study of line defect on rutile TiO2(110)-(1×2) reconstructed surface (2023)
  • 著者名/発表者名: Daiki Katsube, Tatsuya Yokoi, Eiichi Inami, Fengxuan Li, Katsuyuki Matsunaga, Masayuki Abe
  • 学会等名: Annual Meeting of the Japan Society of Vacuum and Surface Science 2023
• [学会発表] ルチル型TiO2(110)-(1×2)表面の走査プローブ顕微鏡観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 勝部 大樹
  • 学会等名: 832nd ASRCセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] アナターゼ型TiO2(001)表面への超音速NO分子線の照射 (2023)
  • 著者名/発表者名: 1.勝部 大樹、大野 真也、金 庚民、津田 泰孝、稲見 栄一、吉越 章隆、阿部 真之
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] NC-AFM imaging of anatase TiO2(001)-(1×4) surface adsorbed water molecules at room temperature (2022)
  • 著者名/発表者名: Daiki Katsube, Yuji Kunisada, Masayuki Abe
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum Congress IVC-22
  • 国際学会
• [学会発表] 金属酸化物表面の高分解能AFM計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 勝部 大樹、阿部 真之
  • 学会等名: 金属酸化物表面の高分解能AFM計測”、実用顕微評価セミナー2022「電子顕微鏡の最前線と表面分析技術の革新」
  • 招待講演
• [学会発表] 様々な金属酸化物表面の高分解能SPM観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 勝部 大樹
  • 学会等名: 学振167ナノプローブテクノロジー委員会の第102回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 超音速分子線を照射したアナターゼ型TiO2(001)表面のX線光電子分光による評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 勝部大樹、大野真也、高柳周平、尾島章輝、前田元康、折口直紀、小川新、池田夏紀、青栁良英、甲谷唯人、Kim Kyungmin、侯林楓、李豊烜、津田泰孝、吉田光、西静佳、坂本徹哉、稲見栄一、吉越章隆、阿部真之
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] X-ray photoelectron spectroscopy study of anatase TiO2(001) using oxygen supersonic seeded molecular beam (2021)
  • 著者名/発表者名: Daiki Katsube, Shinya Ohno, Shuhei Takayanagi, Shoki Ojima, Motoyasu Maeda, Naoki Origuchi, Arata Ogawa, Natsuki Ikeda, Yoshihide Aoyagi, Yuito Kabutoya, Kyugnmin Kim, Linfeng Hou, Fengxuan Li, Yasutaka Tsuda, Hikaru Yoshida, Shizuka Nishi, Tetsuya Sakamoto, Eiichi Inami, Akitaka Yoshigoe, Masayuki Abe
  • 学会等名: International Symposium on Surface Science 9
  • 国際学会
• [学会発表] 水を室温吸着したアナターゼ型TiO2(001)-(1×4)表面の原子間力顕微鏡解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 勝部大樹、國貞雄治、阿部真之
  • 学会等名: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] 高速原子間力顕微鏡による光触媒材料上における脂質混合膜の分解過程の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 天木里奈、山下隼人、勝部大樹、稲見栄一、阿部真之
  • 学会等名: 日本金属学会2021年秋季第169回講演大会
• [学会発表] 超音速酸素分子線を照射したアナターゼ型TiO2(001)表面のX線光電子分光測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 勝部大樹、大野真也、高柳周平、尾島章輝、前田元康、折口直紀、小川新、池田夏紀、青栁良英、甲谷唯人、Kim Kyungmin、侯林楓、李豊烜、津田泰孝、吉田光、西静佳、坂本徹哉、稲見栄一、吉越章隆、阿部真之
  • 学会等名: 日本金属学会2021年秋季第169回講演大会