大気圧SIMS法の開発とその固液界面評価への応用

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01058
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 松尾 二郎 京都大学, 工学研究科, 准教授 (40263123)
• 研究分担者: 瀬木 利夫 京都大学, 工学研究科, 講師 (00402975) ; 青木 学聡 京都大学, 学術情報メディアセンター, 准教授 (90402974)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 固液

研究実績の概要

昨年

大気圧下で液体が存在する表面を評価することが可能である高速重イオンを用いる2次イオン質量分析法（MeV-SIMS法）を使い、固体と液体との界面状態の探査的研究を行う。細胞、触媒、電池など様々な分野で固液界面は極めて重要な役割を担っているが、真空を基礎とする表面分析技術では限界があり、固液界面はいまだに十分解明されていない。これまでの分析手法では困難であった固液界面のダイナミクスの解明などを試み、固体と液相との界面で起こる特異な現象の解明を行える革新的な評価技術を実現する
様々な手法を使って形成した固液界面の2次イオンスペクトルを測定した。一つは昨年度から引き続き行っている水滴をキャストして液相(液滴)を固体表面に形成したものである。液相の膜厚はサブmmと極めて厚く、液滴が存在するときには液相表面からの飛び出してきた2次イオンであることが保証されている。もう一つの方法は、気相から液体分子を吸着させて液相を形成する手法である。吸着量が少ない時には極めて薄い液体層が表面に形成できる。水分子を使い吸着層のSIMS測定を大気圧下で行ったところ、液滴からの2次イオンスペクトルと極めて類似したスペクトルが得られた。このことは極めて薄い液体層でも厚い液体層と同様の構造を持っていることを示している。レーザーを用いた結果でも多量体が多く検出されており、水分子の液相中に多くの水クラスターが形成されており、それが観察されたと考えられる。2次イオンスペクトルを詳細二階席嗣、水表面特有の構造を調べていく。

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

昨年

固液界面の評価手法はそれほど多くなく、主にフォトンやX線を使った手法が開発されてきた。また、近年AFMを使う手法が開発され固液界面の観察が行わるようになってきた。しかし、2次イオン質量分析法で固液界面を評価した例はこれまでに全く前例がないが、高感度の質量分析法の分子同定能力を活かして、固液界面に存在する複雑な有機分子を検出することが可能になると考えられる。実用的な固液界面は複雑な分子構造を持つ有機液体であることが多いので、SIMS法の持つ優れた分子同定能力は強力な武器となる。
既にもっとも簡単な液体である水を使って固液界面を形成し、２次イオン測定を行った。今後は、更に複雑な分子を使い固液界面評価法としての有用性を示すとともに、他の手法との比較検討を進めることにより、本手法の特徴を明らかにする。

今後の研究の推進方策

固液界面の評価で最も難しい課題の一つに液相の膜厚コントロールがある。液相表面では吸着と蒸発が動的平衡状態にあるため、吸着が優勢になると膜厚が厚くなり、蒸発が優勢になると膜厚が減少する。例えば水分子の場合には、湿度が高いと吸着が優勢になり膜厚が増加する。一方基板温度とチャンバー温度(大気の温度)の差も重要なパラメータであり、この温度差により吸着と蒸発のどちらが優勢になるかが決まる。
このため、湿度制御と同時に温度制御も重要なパラメータであり、これらを高精度に制御するためのシステム構築を行っていく。

研究成果

• [雑誌論文] Optimized Alkali-Metal Cationization in Secondary Ion Mass Spectrometry of Polyethylene Glycol Oligomers with up to m/ z 10000: Dependence on Cation Species and Concentration (2019)
  • 著者名/発表者名: Hubert Gnaser, Rika Oki, Takaaki Aoki, Toshio Seki, Jiro Matsuo
  • 雑誌名: Analytical Chemistry 2020 巻: 92(1) ページ: 1511-1517
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.9b04770
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of ramping up rate on end of range defect in multielement molecular-ion (CH3O)-implanted silicon wafers (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirose Ryo, Onaka-Masada Ayumi, Okuyama Ryosuke, Kadono Takeshi, Shigematsu Satoshi, Kobayashi Kouji, Suzuki Akihiro, Koga Yoshihiro, Matsuo Jiro, Kurita Kazunari
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58(12) ページ: 121002-121002
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab4fc9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Selective Reduction Mechanism of Graphene Oxide Driven by the Photon Mode versus the Thermal Mode. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hada M, Miyata K, Ohmura S, Arashida Y, Ichiyanagi K, Katayama I, Suzuki T, Chen W, Mizote S, Sawa T, Yokoya T, Seki T, Matsuo J, Tokunaga T, Itoh C, Tsuruta K, Fukaya R, Nozawa S, Adachi SI, Takeda J, Onda K, Koshihara SY, Hayashi Y, Nishina Y
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 13(9) ページ: 10103-10112
  • DOI: 10.1021/acsnano.9b03060
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gas cooling secondary ions emitted by gas cluster ion beam at the travelling-wave ion guide of a Q-ToF-SIMS system (2019)
  • 著者名/発表者名: P.Thopan, T.Seki, L.D.Yu, U.Tippawan, J.Matsuo
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 巻: 450 ページ: 139-143
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2018.07.024
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cluster ion beam bombardment and Q-ToF-SIMS analysis of large biomolecules (2019)
  • 著者名/発表者名: P.Thopan, T.Seki, L.D.Yu, U.Tippawan, J.Matsuo
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 巻: 448 ページ: 11月18日
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2019.04.001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] リチウムイオン電池電解質から放出される二次イオンの大気圧下での測定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 野々村知也, 瀬木 利夫, 青木 学聡, 松尾 二郎
  • 学会等名: フォーラム２１「イオンビームを用いた物理とその応用」研究会（第25回）
• [学会発表] Ambient Secondary Ion Mass Analysis of Electrolyte of Lithium Ion Battery with MeV-Energy Heavy Ion (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Seki, T. Nonomura, T. Aoki, J. Matsuo
  • 学会等名: 23rd International Workshop on Inelastic Ion-Surface Collisions
  • 国際学会
• [学会発表] Etching by Massive Cluster Ions from Electrospray Ion Source (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Matsuda, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 学会等名: 23rd International Workshop on Inelastic Ion-Surface Collisions
  • 国際学会
• [学会発表] MeV-SIMS Measurements under Ambient and Humid Conditions (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Seki
  • 学会等名: The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of a high energy cluster SIMS system with 50keV GCIB source (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Hirata, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 学会等名: The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
  • 国際学会
• [学会発表] MeV-SIMS Measurement of Electrolyte of Lithium Ion Battery (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nonomura, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 学会等名: The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancement of ionization probability of Polymers with cation deposition method (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Matsuda, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 学会等名: The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
  • 国際学会
• [学会発表] Angular Distribution of Neutral Species from Rhodamine 6G Sputtered with Cluster Ion Bombardment (2019)
  • 著者名/発表者名: 7. R. Oki, N. Sano, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 学会等名: The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
  • 国際学会
• [学会発表] Optimized alkali-metal cationization in secondary ion mass spectrometry of polyethylene glycol oligomers with up to m/z 10000: Dependence on cation species and concentration (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Gnaser, R. Oki, T. Aoki, T. Seki and J. Matsuo
  • 学会等名: The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
  • 国際学会
• [学会発表] Study on ionization process and quantitative analysis of organic molecules with cluster ion beam irradiation (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Fujii, Y. Ishii, E. Hasegawa, R. Shishido and J. Matsuo
  • 学会等名: The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
  • 国際学会
• [学会発表] To be fragmented or not to be, that is the question in organic sputtering (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Sano, R. Oki and J. Matsuo
  • 学会等名: The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
  • 国際学会
• [学会発表] Generation of massive cluster ions with electrospray ion source (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Matsuda, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
  • 学会等名: The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of organic acid on polymer ionization process with various cluster ion beam irradiation (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Ishii, R. Shishido, J. Matsuo and M. Fujii
  • 学会等名: The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
  • 国際学会
• [学会発表] Ionisation behaviours of high affinity molecules on the silk fibroin substrate using Ar GCIB (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Sano, T. Hashimoto and J. Matsuo
  • 学会等名: The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
  • 国際学会
• [学会発表] OBSERVATION OF LIQUID MOLECULES WITH AMBIENT SIMS USING SWIFT HEAVY IONS (2019)
  • 著者名/発表者名: J. Matsuo, S. Toshio, A. Takaaki
  • 学会等名: The 24th International Conference on Ion Beam Analysis
  • 国際学会
• [学会発表] Sputtering of biomaterials with large cluster ion beams (2019)
  • 著者名/発表者名: J. Matsuo
  • 学会等名: The 15th International Symposium on Sputtering & Plasma Processes
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] エレクトロスプレーイオン源を用いた巨大クラスターイオンの生成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松田大輝, 瀬木利夫, 青木学聡, 松尾二郎
  • 学会等名: 第20回QSEC公開シンポジウム
• [学会発表] 高エネルギークラスターイオン源を用いたSIMS測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 平田健太郎, 瀬木利夫, 青木学聡, 松尾二郎
  • 学会等名: 第20回QSEC公開シンポジウム
• [学会発表] 反応性ガスクラスターインジェクションによる高アスペクト比エッチングに向けた研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 瀬木 利夫, 荘所 正, 小池国彦, 青木 学聡, 松尾 二郎
  • 学会等名: The 80th JSAP Spring Meeting
• [学会発表] エレクトロスプレーイオン源を用いた巨大クラスターイオンの生成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松田大輝, 瀬木 利夫, 青木 学聡, 松尾 二郎
  • 学会等名: The 80th JSAP Spring Meeting
• [学会発表] リチウムイオン電池の電解質の大気圧 MeV-SIMS測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 野々村知也, 瀬木 利夫, 青木 学聡, 松尾 二郎
  • 学会等名: The 80th JSAP Spring Meeting
• [学会発表] 大気圧MeV-SIMSの開発と固液界面分析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 瀬木利夫
  • 学会等名: 第53回表面分析研究会
  • 招待講演