2015 Fiscal Year Annual Research Report
低温でのプロトンビーム照射による水素機能性科学の開拓
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15J02060
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
中山 亮 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 水素 / 酸化亜鉛 / 電気伝導度 / 薄膜 / 拡散 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は低温でのプロトンビーム照射を用いて、既存物質に水素を導入することで機能性材料に変換することである。本手法を用いれば、従来の手法では水素を導入できなかった物質にも水素を自在に導入することができる。また、これまで開発した温度可変in-situ電気伝導度測定が可能なプロトンビーム照射装置により、我々はこの水素導入による物性変化を評価可能となる。そのため、水素を用いて物性・機能性を自在に制御する、水素機能性科学の開拓が期待される。本年度は、酸化亜鉛に対する低温でのプロトンビーム照射を行い、その物性、構造、電子状態に与える影響を詳細に調べた。酸化亜鉛はn型のワイドギャップ半導体であり、透明電極等への応用が期待される物質である。酸化亜鉛に対する低温でのプロトンビーム照射効果は、本研究によって初めて明らかにされる。申請者は、酸化亜鉛薄膜に対して、50 Kでプロトンビーム照射を行い、in-situ電気伝導度測定により、電気抵抗率の三桁の減少を観測することに成功した。照射後に室温までの昇温を行ったところ、水素の拡散を示唆する抵抗率の不可逆な減少を観測した。これは、低温でのプロトンビーム照射後にin-situ電気伝導度を測定するという本研究の特色を活かすことで得られた極めて新規性の高いデータである。また、昇温後の試料が130 K以上で金属的な伝導性を示すことを見出した。このように、低温でのプロトンビーム照射は物性を制御する上で有効であるといえる。さらに、照射前後においてキャリア密度やホール移動度といった輸送特性の変化、吸収端などの光学特性の変化を調べ、酸化亜鉛が低温でのプロトンビーム照射により縮退半導体となっていることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度においては、酸化亜鉛への低温でのプロトンビーム照射とin-situ温度可変電気伝導度測定を行うことで、照射後の昇温過程において水素の拡散を示唆する新規な物性変化を観測することに成功した。さらに、その他にも輸送特性、光学特性等を照射前後で測定することで、酸化亜鉛に対する低温でのプロトンビーム照射の効果を初めて詳細に明らかにした。その結果、n型半導体である酸化亜鉛が照射後に縮退半導体となっていることが分かった。また、国内で分子科学討論会、応用物理学会秋季学術講演会、日本化学会春年会において学会発表を口頭で行ったほか、Pacifichem2015といった国際学会においてもポスター発表を行った。さらに、分子科学討論会、Pacifichem2015及び2016 KYOTO-KAIST-NTHU Junior Chemist Symposiumにおいては、高い倍率をくぐり抜けて優秀講演賞、ポスター賞を受賞しており、非常に高い評価を受けた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度はまず、RFマグネトロンスパッタリング法などを用いて様々な薄膜試料を作成し、低温でのプロトンビーム照射による物性変換を目指す。UV, IR, Raman等の分光測定やXRD、Hall効果の測定を行うことで、照射効果を詳細に調べる。二次イオン質量分析法を活用することで、実際に試料に導入された水素導入量を確かめる。また、Cathodoluminescenceの専門家である京都工芸繊維大学のPezzotti教授と共同で実験を行い、試料内部の水素の状態も明らかにする。既に新規な結果が得られている酸化亜鉛については重水素を用いた同位体効果を調べることも検討する。また、プロトンビーム照射装置のサンプルトランスファー機構の開発もこれらに並行して続ける。
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