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本研究は、原子レベルでの機能性物質の創成という観点から、金属内包シリコンクラスター(M@Si16)をサイズ選択的に非破壊で表面上へ担持し、その電子物性を追跡することを目的としている。前年度までは金属にタンタルを用いたTa@Si16に注目し、Ta@Si16がアルカリ金属的な超原子として振る舞うことなどの化学的性質を見出してきた。本年度はクラスターの透過率が高くなるように合成装置を改良し、Ta@Si16以外のクラスターについての合成を試みた。
まず、タンタルと同じ5族の金属であるバナジウムやニオブを含んだV@Si16とNb@Si16を正イオンで高選択的かつ高効率で生成することに成功した。X線光電子分光(XPS)測定から、それぞれTa@Si16と同じようにケージ構造をもち、化学反応性の異なるアルカリ金属的な超原子であることがわかった。さらに、4族の金属であるチタンや3族の金属であるルテチウムを用いたTi@Si16、Lu@Si16についても同様に合成・XPS評価を行い、それぞれの金属原子の価電子数による超原子的性質の違いを明らかにできた。
さて、これまで表面に蒸着したTa@Si16由来の光電子シグナルやバルクとしての物性を測ることは困難であったが、それはTa@Si16の蒸着量が平均0.6層と少なすぎるためであると考えた。そこで本年度は蒸着量を10層まで増やし、紫外光電子分光や二光子光電子分光測定を行ったところ、超薄膜では見えなかったTa@Si16の占有準位・非占有準位由来の信号を初めて観測することができた。さらに同試料でXPS測定を行ったところ、Ta@Si16のプラズモン励起に伴うサテライトピークを観測することができた。
以上のように、本年度を通して異なる種類のM@Si16の化学的物性について明らかにし、またTa@Si16の物性についての理解を与える情報を得た。これらは、M@Si16を一つの構成単位として原子レベルで機能性物質を構築するにあたり、重要な知見になると結論する。
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