| 研究課題/領域番号 |
15K06421
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| 研究機関 | 横浜国立大学 |
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研究代表者 |
関谷 隆夫 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (60211322)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 光物性 / 二酸化チタン / 酸窒化ジルコニウム / 窒素ドーピング / 薄膜 |
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| 研究実績の概要 |
中間年度なので、窒素ドープ遷移金属酸化物試料の作成とともに、窒素の電子状態制御とその評価を中心に研究を行った。
高純度二酸化チタンの粉末を出発原料として育成したanatase型単結晶を450℃で熱処理する事で、2.9eV付近に吸収帯を持つyellow結晶を得たことで、単結晶中に輸送材の塩化アンモニウム由来の窒素がドープされていることを確認した。さらに高温で加熱処理することで、酸素欠陥の少ないcolorlessの状態とした単結晶試料に対して、Tiによる還元処理を施し、酸素雰囲気下で熱処理することで、2.9eV付近の吸収帯が再度現れることが判った。
2.9eVの吸収帯を有する窒素ドープした二酸化チタンyellow結晶の状態から、酸化、還元の処理を施すことで、窒素の電子状態を変化させ、2.9eVの吸収帯の生成消滅を制御できる事が明確になった。この変化はラジカル、原子価といった窒素原子単独の電子状態の変化では説明し難く、NHや、NOのような複数原子の欠陥が要因であるモデルを検討しているが、2.9eVの吸収帯のその変化に水素が関与していないことが明確となった。現在は、結晶中の窒素ドープ量を増やすため、アンモニア加圧処理を行う準備をしている。
一方、酸窒化ジルコニウム薄膜を石英ガラス基板上に反応性スパッタリングで作成した。基板ヒーター温度900℃で作成した薄膜のX線回折から、ZrN、Zr2ON2、ZrO2の混合相で構成され、酸素流量の増加に伴いZrNから、Zr2ON2、ZrO2と結晶相が変化すること、光学吸収端はがブルーシフトすることを見出した。二酸化チタンと同様に窒素ドープの影響はバンドギャップ直下に現れたが、結晶相変化から判断すると、アニオンサイトの占有率によるシフトと考えられる。XPS測定から、Zrの3dピークのシフトが観測され、Zr周囲の酸素/窒素比を反映しているものと考えている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
概ね研究は順調であると考えている。今年度も様々な方法による窒素ドーピング試料の作成を行い、以下に示すような方法によるドープ試料を得ることに成功している。窒素ドーピング二酸化チタン単結晶の水素以外の還元方法として、Tiを用いた方法を試みたが、水素還元によるものとの差が明確に出ず、ラジカル、原子価といった窒素原子単独の電子状態の変化では説明し難いため、NHや、NOのような複数原子の欠陥が要因であるモデルを検討するべきとの考えに至ったが、今年度の研究成果で水素の関与は否定できたと考えている。今後は、XPSを中心に窒素の電子状態を明らかにするべきと考え、窒素をより多く含んだ試料の作成を検討する。ゾルゲル法では、光学的に均一で透過率の高い薄膜の作成に目処が立ち、窒素の高濃度ドープに期待が持たれる。ゾル形成中にアニオン源を添加する手法や、粉末や単結晶と同様に薄膜作成後にアンモニア気流中での熱処理によるドーピングなどを検討する準備が出来た。また、既存の反応性マグネトロンスパッタリング装置を用いた酸窒化ジルコニウム薄膜を石英ガラス基板上に作成することに成功した。今年度にガス導入系の見直しにより、ZrNから、Zr2ON2、ZrO2と結晶相をガスの流量調節のみで幅広く窒素量を変化させた試料を入手できることが明らかになったことで、非常にこの研究を大きく進展させる可能性が拡がったと考えている。XPS測定から明らかとなった、Zrの3dピークのシフトの原因について明確にするとともに、ZrO2へのNの微量ドープに依る二酸化チタンとの違いについても検討するため、真空紫外分光器を導入する。
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| 今後の研究の推進方策 |
概ね当初の計画に沿って研究を進める方針である。
窒素をドープした二酸化チタンの単結晶の酸化還元熱処理を通じで、2.9eVの吸収帯の原因が、ラジカル、原子価といった窒素原子単独の電子状態の変化ではなく、NHや、NOのような複数原子の欠陥が要因であるモデルを検討し、水素の関与は否定できたと考えている。この成果によりNOのような複合的な欠陥種が原因であると思われるので、熱処理とXPS組み合わせた測定を中心に研究を進める事で、窒素の電子状態を明らかにできると考えている。そのためには、窒素をより多く含んだ試料の作成を検討する必要があるが、化学輸送法による単結晶育成、ゾルゲル法による粉末、薄膜作成などの試料作成と、ゾルゲル法における窒素源の添加、アンモニア中熱処理などの窒素ドープ量の増強など既存の手法とその応用で対応できると考えている。
酸窒化ジルコニウム系薄膜についても、ZrやO、Nを中心としたXPSによる電子状態解明を目指す。窒素ドープの効果は、バンドギャップの直下に見られるため、真空紫外分光器の導入を検討する。幸い、真空紫外分光器本体は入手する事が出来たので、若干の設備投資で利用可能にできると考えている。結晶相の変化は、酸素欠陥の導入にも対応しているが、より詳細なX線回折測定で、欠陥量を特定できる可能性があると考えている。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
酸化ジルコニウム系薄膜の光学物性測定のため、真空紫外分光器本体の入手に成功したので、少額であっても極力節約に努め、次年度に繰り越し、装置立ち上げの費用に組み込みたいと考えた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
少額ではあるものの、真空紫外分光器の周辺装置を作成し、物性測定に供するための費用として有効に利用したい。
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