2020 Fiscal Year Annual Research Report
光触媒におけるバンドアラインメントの究明と半導体物理的設計指針の構築
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18H03772
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
杉山 正和 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (90323534)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 正寛 東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教 (40805769)
藤井 克司 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 研究員 (80444016)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 半導体 / バンドアラインメント |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体光触媒では，水素生成の助触媒としてPt微粒子を粒子表面に修飾している．光照射下で，半導体からPtに光励起電子が移動して，Ptと電解液の界面でH+に伝達されて水素を発生する現象は広く観察されている．しかし，本研究の解析対象としているｎ型GaNやSTOと金属Ptの仕事関数を考えると，半導体と金属はショットキー接合を形成して接合界面の半導体領域に空乏層が生じると考えられる．すなわち，ｎ型GaNやSTO中で光励起された電子は空乏層のポテンシャル障壁に妨げられてPtに移動することができない．
この矛盾を解明するため，単結晶のｎ型GaNやSTO基板表面に膜厚1 nm相当のPtを真空蒸着し，水素発生助触媒のモデルとした．実際に蒸着されたPtは粒子状であった．基基板にコンタクトした電極を開放電位（およびその近傍）にした際，光照射下で水素と酸素が同時に発生することが観察された．これは，粒子状光触媒による光水分解反応に相当する．
Ptとn型半導体（GaNおよびSTO）界面のバンドアラインメントを解析する目的で，半導体表面にPtのくし形電極（Pt厚さ9 nm）を，シャドーマスクを介した蒸着により形成した．これにより，半導体バルクの電位と表面Ptの電位を独立に計測することが可能となった．これにより，光触媒として動作中のPt／半導体構造においてPtと半導体の間の電流-電圧特性を世界で初めて計測することに成功した．その結果，GaN，STOともに，水素発生中はPtと半導体の間はオーム性接触であることが確認できた．仕事関数から予想されるショットキー障壁が消滅する理由として，GaNの場合は，Pt表面で生じる原子状の水素がGaN表面近傍にバンドギャップ内準位を形成することが示唆された．STOの場合のメカニズムは解析中である．
上記のほか，光触媒動作中のGaN表面からのフォトルミネッセンス観察に成功した．
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| Research Progress Status |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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