| 研究課題/領域番号 |
17H01057
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
福谷 克之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10228900)
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| 研究分担者 |
Dino Wilson 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60379146)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | スピン / 偏極 / 金属酸化物 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，固体表面での水素原子および水素分子の散乱におけるスピン状態分布をレーザー分光法を用いて観測することで，水素と表面との相互作用の詳細を明らかにし，散乱におけるスピン緩和・回転機構を解明するとともに，固体表面のスピン状態解析を目指して研究を行っている．本年度は，水素原子・分子線装置の改良と金属酸化物表面への水素吸着に関する実験を行った．
水素分子線散乱装置について，分子線室を排気する真空ポンプに不具合が生じたため交換作業を行い，それに伴い分子線の調整を行った．一方，表面スピン状態について興味が持たれるアナターゼ型TiO2について，光電子分光解析を進めたところ，水素に誘起される電子状態が当初予測していた局在状態でなく，非局在化している可能性を発見した．そこで，この電子状態の詳細を調べるべく，研究期間を延長して角度分解測定方式より分散関係を測定したところ，電子励起状態に特徴的な分散が存在することを見出した．水素原子線装置について，シミュレーションを用いて水素の速度と6極磁石による収束距離との相関を求め，それに基づき速度を選別するためのチョッパー機構の設計を行った．モーターを真空中で動作させる必要があり，そのための真空用モーターとモーター動作時の発熱を防ぐための冷却機構の開発を行った．モーターの回転を測定する光センサーを取り付け，さらに測定用レーザーとの同期をとるため周波数を可変にする回路の作製を行った．
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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
水素分子散乱装置について，排気系とビームアライメントに不具合が生じたが，新たな真空ポンプを導入し，またビーム調整についてもテレスコープと精密位置調整機構の併用により，実験に十分な精度で調整を終了した．表面スピン状態について興味深いアナターゼ型TiO2については，吸着水素量と電子状態との相関を測定し，下方のバンドベンディングが生じることを明らかにするとともに，試料温度と電子状態との相関を測定したが，ルチル型TiO2で観測されるようなギャップ中準位は観測されなかった．そこで，これらの結果に基づき分散関係観測へと展開した．2次元角度分解分光器を用いて分散関係を測定したところ，Γ点から波数がシフトした位置にエネルギー極小を持ち大きな分散を示す水素誘起電子状態を見出した．水素原子線について，共鳴イオン化スペクトルにおけるドップラーシフトから原子線の速度分布を推定し，SIMIONによる軌道計算から6極磁石での収束条件シミュレーションを行った．ビームの速度が早いほど収束距離は長く，最頻速度での収束距離は6極磁石出口より600mmと見積もられた．この見積もりに基づき，差動排気系・測定系の改良を行った．また精密な速度分布測定と速度選別を行うため，ビームチョッパーの設計を行った．チョッパー板の厚さ・半径を最適化し，それにあうスリット開口を決定した．真空に適合するモーターを選定し回転周波数は400Hzとし，これと検出用共鳴イオン化レーザーの遅延時間を制御するため，周波数変換器を作製しその動作を確認した．モーター動作時のアウトガスが大きいため冷却機構を開発したが，モーターの振動が配管に与える影響が大きいことが判明し，フレキシブルチューブにより問題を解決した．
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| 今後の研究の推進方策 |
水素分子線装置については，光脱離の観測を行う．励起光として，波長が532nmおよび355nmのパルスレーザー光を用い，このレーザー光と脱離水素分子の核スピン状態を計測する共鳴イオン化レーザーとの遅延時間を制御できるようにする．この遅延時間を連続的に掃引することで脱離分子の飛行時間スペクトルを測定し，検出のための最適条件を決定する．また脱離角度も最適にするため，脱離角度分布測定も行う．これらの条件をもとに正確な回転状態分布を決定し，初期吸着状態のスピン状態・回転波動関数解析を行う．水素原子線装置については，今年度に開発したチョッパー機構の動作を確認し，これを用いて水素原子の速度分布測定を行う．速度分布の計測が終了次第，この情報をもとに6極磁石の収束実験を行う．収束度測定のため，検出用共鳴イオン化レーザーの収束位置を掃引できるような光学系を構築し，これを用いて速度ごとのビーム系を測定し，シミュレーションによる予測と比較検討する．アナターゼ型TiO2表面の水素誘起電子状態について，第一原理電子状態計算による解析を行う．電子相関の強い系のため，＋Uを考慮した計算を行い，実験結果と比較し電子密度分布，スピン密度分布の解析を行う．
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