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2020 年度 実施状況報告書

多元STMスペクトロスコピーで解き明かされる酸化グラフェンのナノ光電子物性

研究課題

研究課題/領域番号 20K21114
研究機関東北大学

研究代表者

片野 諭  東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (00373291)

研究期間 (年度) 2020-07-30 – 2023-03-31
キーワード酸化グラフェン / 走査トンネル顕微鏡 / 走査トンネル分光 / 走査トンネル顕微鏡発光
研究実績の概要

酸化グラフェン(GO)の光電子物性は、導電性のsp2ドメインと、酸素官能基が接続された絶縁性のsp3ドメインで構成されるナノ構造で支配される。特にsp2ドメインのサイズや空間分布は、電気伝導や発光などGOの機能性を決定する主な要因となるが、それらナノドメインを微視的に評価できない問題を抱えていた。例えば、ナノ構造の物性を個々に評価できるツールとして走査トンネル顕微鏡(STM)が挙げられるが、絶縁性ドメインを含むGOは導電性が低いためSTMで観察できないとされていた。我々のグループでは、水の除去と単層観察によりこれまで不可能とされていたGOのSTM観察に成功し、これまでのGO研究の概念を覆した。ここで、STMナノスペクトロスコピーがブレークスルー技術となり、振動・電子状態や光物性などGOの機能性に関わるナノ物性が一気に解明される挑戦性の高い本研究の着想を得た。本研究課題では、一つ一つの原子や分子の特性を個々に調べることができるSTMスペクトロスコピーを駆使して、これまで不明だったGOのナノ光電子物性を解明することを目的とした研究を行う。研究初年となる令和2年度では、超高真空装置の改良と試料基板の作製方法について検討を行った。具体的には、超高真空装置に質量分析器を導入した。その結果、真空装置の清浄度の評価、および加熱処理および光照射に伴う脱離種の同定に対応できるようになった。また、GOの単層分散が高密度に実現される溶媒種、基板種の最適化を検討した。その結果、親水性や疎水性などの基板の濡れ性によってGOの吸着構造が大きく変わることを見出した。

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

本課題では、GO試料基板の作製と、STM発光や走査トンネル分光などの多元STMスペクトロスコピーによってGOのナノ光電子物性を明らかにする研究を3年間で実施する。研究初年となる令和2年度では、超高真空装置の改良と試料基板の作製方法について検討を行った。具体的には、超高真空装置に質量分析器を導入した。その結果、真空装置の清浄度の評価、および加熱処理および光照射に伴う脱離種の同定に対応できるようになった。また、GOの単層分散が高密度に実現される溶媒種、基板種の最適化を検討した。本研究では、Au(111)表面に親水性と疎水性の有機単分子膜を形成させて表面の濡れ性を制御した。有機単分子膜としてオクタンチオールの自己組織化単分子膜と、強い疎水性を示すフルオロデカンチオールの自己組織化単分子膜を使用した。真空蒸着装置を用いてマイカ基板上にAu(111)単結晶表面を作製し、その上に目的とする自己組織化単分子膜を作製した。スピンコートによりGOを基板表面に吸着させて目的とする基板を得た。走査型電子顕微鏡と原子間力顕微鏡を用いて試料表面の構造を観察し、Raman分光法を用いて試料表面の化学状態を評価した。その結果、弱い疎水性を示すオクタンチオール分子膜上でGOの単層状態吸着が比較的得られやすいことを明らかにした。

今後の研究の推進方策

単層吸着したGO基板の作製とその分散状態の評価を引き続き行い、STM計測に適した試料基板を再現性よく作製できるようにする。このような試料基板をつかって、STMによるナノ構造観察と、STMスペクトロスコピーによるGOの電子状態の解明する研究に取り組む。今後、STMを機軸として未開拓であるGOのナノ物性解明に取り組む挑戦的な研究を推進し、応用上極めて重要となる電気伝導に関与するドメインや発光増強や消光に関与するドメインの同定を目指す。

次年度使用額が生じた理由

2020年のCOVID-19感染拡大に伴い、学会や研究会がオンライン発表・中止となり、また予定していた共同研究がオンラインによる打ち合わせとなった。そのため、旅費等の支出が無かったため次年度繰越金が生じた。繰越金の用途として、2021年度に振り替えられた学会の発表、予定されていた共同研究にあてる。

  • 研究成果

    (3件)

すべて 2020 その他

すべて 学会発表 (2件) 備考 (1件)

  • [学会発表] 有機単分子膜を援用したAu(111)基板上における酸化グラフェンの吸着構造制御2020

    • 著者名/発表者名
      許彦, 笹嶋匠, 片野諭, 上原洋一
    • 学会等名
      第75回応用物理学会東北支部学術講演会
  • [学会発表] 銀ナノキューブプラズモン増強場上での高分子の光反応2020

    • 著者名/発表者名
      岩堀健, 水野文菜, 小野篤史, 上原洋一, 片野諭
    • 学会等名
      2020年日本表面真空学会学術講演会
  • [備考] 東北大学電気通信研究所ナノフォトエレクトロニクス研究室

    • URL

      http://www.nanophoto.riec.tohoku.ac.jp/

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公開日: 2021-12-27  

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