2017 Fiscal Year Research-status Report
Direct imaging of catalytic process by differential phase contrast
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17K18974
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
石川 亮 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20734156)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 微分位相コントラスト法 / 原子分解能 / 触媒反応 / グラフェン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，微分位相コントラスト法を用いてグラフェンエッジと不純物単原子間の化学反応を原子分解能で観察し，不純物原子を介した触媒反応によるグラフェンの分解・成長過程を明らかにすることを目的としている．これを達成するため，本年度はグラフェンエッジ（ホール）の炭素原子が形成する電場の直接観察を試みた．低加速電圧（80 kV）の電子プローブを用いてもエッジの炭素原子の結合が切られ安定に観察できない．そこで，加熱ホルダーを用いて200 - 300℃の低温で加熱するとグラフェン上での表面拡散が促進され，80kVの電子プローブでも安定してグラフェンエッジの観察が可能であることが明らかになった．原子分解能での観察を安定に行うために，加熱ホルダーの電源の安定化を行い実際に500℃以下であれば原子分解能観察が可能であることを確認した．このような実験条件下において微分位相コントラスト法を用いてグラフェンエッジの観察を行ったところ，単層領域とは異なる強い電場がホールの方向に向かって形成されていることが明らかとなった．このような強い電場は周囲の原子が欠損しダングリングボンドの形成が大きく関与していることが予想される．得られた実験結果をより定量的に評価するために，今後は第一原理計算および電子顕微鏡像の理論計算を行う予定である．また，次年度以降は，ホールに加えて原子空孔や不純物近傍に形成される電場の原子レベルでの観察を行う．
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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
グラフェンエッジを安定に観察することは想定していたよりも容易に実現した．これは加熱ホルダーの電源安定化が大きく作用している．単層グラフェンは炭素原子が投影方向にひとつしかなくかつ軽元素であるため，その原子電場は極めて小さい．したがって，高感度な分割型検出器でもその原子電場はノイズに埋もれて検出が困難であると考えていた．しかし，低温加熱下でグラフェン欠陥が安定することが分かり，電子ドーズを大幅に増やせることとなった．これにより，信号強度を増幅させることができ，実際に炭素単原子の電場観察も可能になりつつある．実験は概ね順調に進展しているため，次年度以降は理論解析を中心に行うこととする．特に，第一原理計算と原子分解能像の組み合わせを行っている研究例はほとんどなく，実験で得られた像解釈には必須となる．従来の孤立した原子のポテンシャルを用いた場合と第一原理計算から得られたポテンシャルの違いが計算像に反映された場合にのみ，化学結合などの情報が得られることとなる．
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| Strategy for Future Research Activity |
グラフェン上には様々な不純物元素が存在しているが，特にSi原子が多く，グラフェンホールやエッジの部分に付着していることが多い．装飾されたエッジの反応性は極めて高いことが経験的に知られている．次年度以降は，Siが付着しているエッジの原子構造および電子密度分布（化学結合状態）の時間発展を観察する．電子を用いて観察するため，導電性のあるグラフェンでは電子が常にエッジへ供給されており，触媒反応が促進されグラフェンエッジ構造の時間変化（分解・成長）が予想される．エッジの形状により電子密度分布が異なるため，初期の原子構造と触媒活性の関連性を明らかにする．
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| Causes of Carryover |
本年度購入予定であった物品を再度検討した結果，新たに購入する必要がなく現有する装置の改造により十分であることが分かった．またその改造は想定よりも安く済んだため不要な物品を購入せずに済んだため，次年度に有効利用することとした．次年度はさらに研究を加速するために試料合成に必要な物品に当てる．
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