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2013 年度 実績報告書

水素分子形成におけるスピン機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 24246013
研究機関東京大学

研究代表者

福谷 克之  東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10228900)

研究分担者 笠井 秀明  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00177354)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2016-03-31
キーワード表面 / 水素 / スピン / 異方性
研究実績の概要

本研究では,表面での散乱・反応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・反応におけるスピン機構を解明することを目的としている.本年度は,昨年度までに開発した水素原子・分子線装置のさらなる開発と金属表面における水素吸着・付加反応に関する実験を行った.また,昨年度開発したファンデルワールス-第一原理電子状態計算により水素分子の吸着状態とスピン転換の理論計算をおこなった.
ビーム実験を進める過程で,散乱角度に異方性があることが判明し,この解析が重要であるという認識に至った.このため詳細な散乱角度分布を測定可能な装置を開発した.水素の共鳴イオン化用ミラーを自動掃引することで,レーザー光の位置を変化させ,試料からの放出角度分布を測定できるようにした.
前年度まで研究を行ったAuPd(110)試料表面における水素付加反応計測を行った.表面でのAu偏析度の異なる表面を準備し,この表面での炭化水素への水素付加を調べたところ,この表面では水素付加は全く起こらず,その代わり同位体置換反応が生じることを見いだした.新たに,水素反応基板としてSrTiO3表面の研究に着手した.水素ダイナミクスには表面の電子状態制御が重要である.電子線照射を利用して表面酸素欠損濃度の制御を試み,表面電子状態を光電子分光で調べ,酸素欠損濃度の増加に伴い表面が絶縁体から金属に変化することを見いだした.さらにこの表面に水素を吸着させると,水素が酸素に配位して電子ドープする場合と酸素欠損に侵入して電子吸引する場合があることを見いだした.この表面で水素分子の散乱を調べ,核スピン状態に応じて角度分布が異なることを明らかにした.

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

相互作用ポテンシャルを明らかにするために,水素分子の角度分布を調べることが有効であることが実験・理論から明らかとなったため,水素分子散乱実験に注力することとした.ミラーの精密掃引,それに同期したレーザー発振,イオン信号の取得などすべて順調に動作し角度分布の測定に成功した.ただし,共鳴イオン化用色素レーザーの予期せぬ故障があったため,予定を変更し研究期間を延長したが,予定した課題をすべてクリアし目的を達成した.
水素付加反応のための基板としてAuPdを検討し実験を行い,水素会合反応としては新たな情報が得られたが炭化水素への水素付加は生じないことが判明し,別の基板を検討することとした.ただし,他では見られない完全同位体交換という現象が見つかり,重要な成果となった.AuPdに加えて,新たにSrTiO3表面とAg(111)表面,Pd(110)表面の研究に着手した.SrTiO3表面については,試料処理や電子線照射による表面酸素欠損濃度制御に成功し,目的を達成した.特に酸素欠損濃度と表面水素濃度に応じて表面が金属―絶縁体転移をするという結果,および表面水素が正・負の両極性を示すという結果は重要な成果と考える.このSrTiO3表面での水素分子の散乱角度分布の回転量子数依存性の観測に成功し,これも全く新しい成果であり十分目的を達成した.
従来の第一原理計算にファンデルワールス力を考慮した汎関数を導入することに成功し,信頼性のある結果が得られた.水素-表面相互作用を解析する上で不可欠の要素であり,十分目的を達成した.

今後の研究の推進方策

引き続き,開発した水素分子散乱装置を用いて研究を進める.実験結果を解析した範囲では,角度分解能の向上が望まれる.そのための方策として,ビーム径をより小さく絞ることで試料上のサイズを小さくすること,観測レーザー光までの距離を離すことが考えられる.ビームを小さくし距離を離すと信号強度が小さくなるためビーム強度の増大が必要となる.また距離を離したところでレーザー光を掃引することが困難なため,レーザー光位置を固定し試料を精密回転させる必要がある.これらの点を改善するため,精密試料回転ステージの導入,自動回転機構の開発,高輝度用パルスバルブの導入とアパチャー系の改良が必要であり,次年度はこれらの研究項目に着手する.またビームの速度・回転温度観測も不可欠なため,ドップラー効果と回転状態分布の測定を通じてビームの解析も行う.
試料としては,引き続きSrTiO3表面とAg(111)表面,Pd(110)表面での実験を進める.上記分解能の向上をはかった装置を利用して,本年度見いだした角度分布の回転量子状態依存性について詳細な実験を行う.J=0,1に限らずより大きなJでのデータを取得し,さらに試料温度を変化させた実験を行う.また温度変化を利用した熱脱離も試み,回転量子状態依存性を調べる.Pdについては試料処理法の確立,水素吸着状態の解析,水素会合脱離の解析などを進める.

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2015 2013

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 謝辞記載あり 4件) 学会発表 (7件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Physisorption and ortho-para conversion of molecular hydrogen on solid surfaces2013

    • 著者名/発表者名
      K. Fukutani, T. Sugimoto
    • 雑誌名

      Prog. Surf. Sci.

      巻: 88 ページ: 279-348

    • DOI

      10.1016/j.progsurf.2013.09.001

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Control of the surface electronic structure of SrTiO3 (001) by modulation of the density of oxygen vacancy2013

    • 著者名/発表者名
      K. Takeyasu, K. Fukada, M. Matsumoto and K. Fukutani
    • 雑誌名

      J. Phys.: Condens. Mater (Fast Track Communication)

      巻: 25 ページ: 162202

    • DOI

      10.1088/0953-8984/25/16/162202

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Knudsen layer formation in laser induced thermal desorption2013

    • 著者名/発表者名
      A. Ikeda, M. Matsumoto, S. Ogura, T. Okano and K. Fukutani
    • 雑誌名

      J. Chem. Phys.

      巻: 138 ページ: 124705

    • DOI

      10.1063/1.4795827

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Near-surface accumulation of hydrogen and CO blocking effects on a Pd-Au alloy2013

    • 著者名/発表者名
      S. Ogura, M. Okada, K. Fukutani
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. C

      巻: 117 ページ: 9366

    • DOI

      10.1021/jp402317h

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Pd(210)表面における水素吸着状態の解析2015

    • 著者名/発表者名
      小林啓紀, 大野哲, 小倉正平, ビルデ・マーカス, 福谷克之
    • 学会等名
      日本物理学会第70回年次大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2015-03-21
  • [学会発表] アナターゼ型TiO_2_(101)表面における欠陥の電子状態と安定性2015

    • 著者名/発表者名
      長塚直樹,武安光太郎,浅川寛太,小倉正平,福谷克之
    • 学会等名
      日本物理学会2014年春季大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2015-03-21
  • [学会発表] Hydrogen ortho-para conversion on solid surfaces2013

    • 著者名/発表者名
      K. Fukutani
    • 学会等名
      Novel designed surface and catalysis for greener future: C&FC symposium
    • 発表場所
      Himeji
    • 年月日
      2013-11-29
    • 招待講演
  • [学会発表] SrTiO3(001)表面での散乱における水素分子核スピン転換2013

    • 著者名/発表者名
      武安光太郎,小倉正平,福谷克之
    • 学会等名
      2013年真空・表面科学合同講演会
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2013-11-26
  • [学会発表] 固体における水素の電子状態と運動状態2013

    • 著者名/発表者名
      福谷克之
    • 学会等名
      物性研究所短期研究会「エネルギーと新材料の物性・物質科学」
    • 発表場所
      柏
    • 年月日
      2013-11-12
    • 招待講演
  • [学会発表] 金表面での水素分子のオルソーパラ転換2013

    • 著者名/発表者名
      樫福亜矢,福谷克之
    • 学会等名
      日本物理学会第68回年次大会
    • 発表場所
      徳島
    • 年月日
      2013-09-27
  • [学会発表] Adsorption-induced nuclear-spin conversion of hydrogen on surfaces2013

    • 著者名/発表者名
      K. Fukutani
    • 学会等名
      19th International conference on Surface Science
    • 発表場所
      Paris
    • 年月日
      2013-09-11

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公開日: 2016-06-01  

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