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本研究の目的は、触媒材料表面に正イオンを入射した際に電荷交換によって脱離する負イオンのエネルギー分布の精密測定を行うとともに、表面反応の詳細を議論することを通じて、負イオン生成の高効率化を行うことである。平成28年度は、イオン銃および静電フィルターと磁気フィルターを備えた負イオン数測定系を構築した。ヘリウム正イオンビームを試料表面に入射させ、表面から脱離した2次生成物から負イオンのみを取り出し、その数およびエネルギー分布の精密測定を行うことに成功した。本技術を用いてアルゴンイオンを照射した二硫化モリブデンの表面物性の変化を測定した結果を論文として発表した。平成29年度は、試料表面の仕事関数測定系を構築した。試料表面に波長180～400nmの光を照射し、試料に流れる電流値の変化から仕事関数を算出した。さらに銀基板への水の吸着量を調整して仕事関数を変化させた場合の負イオン生成量を計測した。結果として仕事関数が低くなるほど負イオン生成量が増加することが確認できた。以上の成果を10月につくば市で開催された国際会議において発表した。また、平成29年度から最終年度にかけては、表面反応の実際を知るため、銀基板表面に水分子が吸着した系について第一原理計算を行った。基板表面とヘリウムイオンとの近接系で生成される共鳴状態を通して基板から電子が供給され、負イオンが生成されることが分かった。基板表面に水分子層が存在する場合に負イオン生成量が低下するという実験結果は、基板の波動関数の遮蔽によるものであることを明らかにした。最終年度はさらに計算を進めて水分子が吸着した場合の銀基板のエネルギー状態などについて詳細な議論を行い、ヘリウム原子と銀基板とが作る共鳴状態の生成メカニズムを明らかにすることができた。以上の結果を国際会議で発表し、さらに学術雑誌に投稿中である。
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