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2019 Fiscal Year Annual Research Report

Ambient SIMS Technique for Liquid-Solid Interface Analysis

Research Project

Project/Area Number 17H01058
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

松尾 二郎  京都大学, 工学研究科, 准教授 (40263123)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 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)
Project Period (FY) 2017-04-01 – 2021-03-31
Keywords固液
Outline of Annual Research Achievements

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。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

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。

Strategy for Future Research Activity

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。

  • Research Products

    (27 results)

All 2020 2019

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Optimized Alkali-Metal Cationization in Secondary Ion Mass Spectrometry of Polyethylene Glycol Oligomers with up to m/ z 10000: Dependence on Cation Species and Concentration2019

    • Author(s)
      Hubert Gnaser, Rika Oki, Takaaki Aoki, Toshio Seki, Jiro Matsuo
    • Journal Title

      Analytical Chemistry 2020

      Volume: 92(1) Pages: 1511-1517

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.9b04770

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effect of ramping up rate on end of range defect in multielement molecular-ion (CH3O)-implanted silicon wafers2019

    • Author(s)
      Hirose Ryo, Onaka-Masada Ayumi, Okuyama Ryosuke, Kadono Takeshi, Shigematsu Satoshi, Kobayashi Kouji, Suzuki Akihiro, Koga Yoshihiro, Matsuo Jiro, Kurita Kazunari
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 58(12) Pages: 121002-121002

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab4fc9

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Selective Reduction Mechanism of Graphene Oxide Driven by the Photon Mode versus the Thermal Mode.2019

    • Author(s)
      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
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 13(9) Pages: 10103-10112

    • DOI

      10.1021/acsnano.9b03060

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Gas cooling secondary ions emitted by gas cluster ion beam at the travelling-wave ion guide of a Q-ToF-SIMS system2019

    • Author(s)
      P.Thopan, T.Seki, L.D.Yu, U.Tippawan, J.Matsuo
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms

      Volume: 450 Pages: 139-143

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2018.07.024

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Cluster ion beam bombardment and Q-ToF-SIMS analysis of large biomolecules2019

    • Author(s)
      P.Thopan, T.Seki, L.D.Yu, U.Tippawan, J.Matsuo
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms

      Volume: 448 Pages: 11月18日

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2019.04.001

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 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

    • Author(s)
      野々村知也, 瀬木 利夫, 青木 学聡, 松尾 二郎
    • Organizer
      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)
  • [Presentation] Ambient Secondary Ion Mass Analysis of Electrolyte of Lithium Ion Battery with MeV-Energy Heavy Ion2019

    • Author(s)
      T. Seki, T. Nonomura, T. Aoki, J. Matsuo
    • Organizer
      23rd International Workshop on Inelastic Ion-Surface Collisions
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Etching by Massive Cluster Ions from Electrospray Ion Source2019

    • Author(s)
      T. Matsuda, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
    • Organizer
      23rd International Workshop on Inelastic Ion-Surface Collisions
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] MeV-SIMS Measurements under Ambient and Humid Conditions2019

    • Author(s)
      T. Seki
    • Organizer
      The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Development of a high energy cluster SIMS system with 50keV GCIB source2019

    • Author(s)
      K. Hirata, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
    • Organizer
      The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] MeV-SIMS Measurement of Electrolyte of Lithium Ion Battery2019

    • Author(s)
      T. Nonomura, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
    • Organizer
      The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Enhancement of ionization probability of Polymers with cation deposition method2019

    • Author(s)
      T. Matsuda, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
    • Organizer
      The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Angular Distribution of Neutral Species from Rhodamine 6G Sputtered with Cluster Ion Bombardment2019

    • Author(s)
      7. R. Oki, N. Sano, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
    • Organizer
      The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optimized alkali-metal cationization in secondary ion mass spectrometry of polyethylene glycol oligomers with up to m/z 10000: Dependence on cation species and concentration2019

    • Author(s)
      H. Gnaser, R. Oki, T. Aoki, T. Seki and J. Matsuo
    • Organizer
      The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Study on ionization process and quantitative analysis of organic molecules with cluster ion beam irradiation2019

    • Author(s)
      M. Fujii, Y. Ishii, E. Hasegawa, R. Shishido and J. Matsuo
    • Organizer
      The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] To be fragmented or not to be, that is the question in organic sputtering2019

    • Author(s)
      N. Sano, R. Oki and J. Matsuo
    • Organizer
      The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Generation of massive cluster ions with electrospray ion source2019

    • Author(s)
      T. Matsuda, T. Seki, T. Aoki, J. Matsuo
    • Organizer
      The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effects of organic acid on polymer ionization process with various cluster ion beam irradiation2019

    • Author(s)
      Y. Ishii, R. Shishido, J. Matsuo and M. Fujii
    • Organizer
      The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ionisation behaviours of high affinity molecules on the silk fibroin substrate using Ar GCIB2019

    • Author(s)
      N. Sano, T. Hashimoto and J. Matsuo
    • Organizer
      The 22st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] OBSERVATION OF LIQUID MOLECULES WITH AMBIENT SIMS USING SWIFT HEAVY IONS2019

    • Author(s)
      J. Matsuo, S. Toshio, A. Takaaki
    • Organizer
      The 24th International Conference on Ion Beam Analysis
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Sputtering of biomaterials with large cluster ion beams2019

    • Author(s)
      J. Matsuo
    • Organizer
      The 15th International Symposium on Sputtering & Plasma Processes
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 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

    • Author(s)
      松田大輝, 瀬木利夫, 青木学聡, 松尾二郎
    • Organizer
      第20回QSEC公開シンポジウム
  • [Presentation] 高エネルギークラスターイオン源を用いたSIMS測定2019

    • Author(s)
      平田健太郎, 瀬木利夫, 青木学聡, 松尾二郎
    • Organizer
      第20回QSEC公開シンポジウム
  • [Presentation] 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

    • Author(s)
      瀬木 利夫, 荘所 正, 小池国彦, 青木 学聡, 松尾 二郎
    • Organizer
      The 80th JSAP Spring Meeting
  • [Presentation] 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

    • Author(s)
      松田大輝, 瀬木 利夫, 青木 学聡, 松尾 二郎
    • Organizer
      The 80th JSAP Spring Meeting
  • [Presentation] リチウムイオン電池の電解質の大気圧 MeV-SIMS測定2019

    • Author(s)
      野々村知也, 瀬木 利夫, 青木 学聡, 松尾 二郎
    • Organizer
      The 80th JSAP Spring Meeting
  • [Presentation] 大気圧MeV-SIMSの開発と固液界面分析2019

    • Author(s)
      瀬木利夫
    • Organizer
      第53回表面分析研究会
    • Invited

URL: 

Published: 2021-01-27  

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