Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

光触媒 / 雰囲気XPS / 第一原理計算 / その場観察 / 半導体 / 界面 / 表面 / 水素製造 / 水分解 / AP-XPS / OCP / 光電気化学 / 界面化学

安価で高耐久な水素生成用の光触媒材料が開発されればカーボンニュートラル社会の実現に貢献することが気体される。水素製造用光触媒は光触媒(半導体)/電解液界面で反応が起きるのだが、この界面があまりにも複雑なことから、体系的に光触媒材料の高効率化に向けた研究をが困難である。そこで、本研究では、分光測定法および、第一原理モデリングを併用することで、光触媒・電解液界面の構造を調べている。まずは測定結果と第一原理モデリングの結果を比較するため、解析が容易な、理想的な界面構造を扱うこととした。手始めに、水分解において光触媒材料として動作する半導体材料としては比較的結晶品質の良いGaN結晶を用いた解析を行った。
雰囲気X線光電子分光実験を行った。その結果、半導体/電解液界面のXPSスペクトルを測定した。また、同結果を反応場を模擬した第一原理計算結果と比較することで、吸着物(H2Oやその分解生成物)や、半導体電極のスペクトルの帰属を行った。
第一原理計算と併せることでスペクトルの帰属を行うことで、界面の幾何・電子構造を定量的に評価することができた。また、界面では半導体側(バンド曲がりや半導体/担持物界面のバンドオフセット)と電解液側(電気二重層におけるポテンシャルシフト)の効果があらわれるが、基板表面原子のコアレベルから半導体側の情報を、気相の水蒸気のO1sから溶液側の情報をそれぞれ分離して得ることで界面電子準位接続の詳細を明らかにすることができた。
また、半導体/電解液界面の第一原理モデリングによって界面構造の予測も行った結果、半導体表面の欠陥などによって、理想表面に関する理論予測結果と完全には一致しなかったが、概ね予測結果が正しいことが示された。

太陽電池 / 温度安定性 / 励起子吸収効果 / 分子線エピタキシー / 超格子太陽電池 / AlGaAs/GaAs超格子 / Si/SiO2超格子 / スパッタリング / 超格子 / タンデム太陽電池 / 励起子吸収 / AlGaAs/GaAs / 解放電圧 / Si/SiO2 / 半導体 / 薄膜・量子構造 / 作成・評価技術 / 表面 / 界面 / エピタキシャル成長 / 結晶評価 / ヘテロ構造

太陽電池の重要な問題点のひとつは温度上昇による特性劣化である。温度上昇によりバンドギャップが減少しVocが低下することが原因である。半導体超格子では量子効果と励起子吸収によりこの傾向が緩和されると考え、AlGaAs/GaAs超格子を用いてこれを実証した。
最適化されたAlGaAs/GaAs超格子太陽電池では、100℃という高温においてもVocとηの減少は少なく、特にdη/dTは0.22/deg.が得られた。これは報告されている太陽電池の中で最も低い値である。さらに超格子構造では、励起子吸収の効果が顕著になり、等価な構造を持つGaAsバルク太陽電池よりも高い効率が得られた。

有機分子 / 表面界面 / 半導体 / 光電子分光 / 電荷移動 / 電極 / シリコン / 表面 / 電子状態 / 界面構造 / 振動分光 / 電気伝導 / 界面 / ダイナミクス

本研究では,ナノスケールで制御された新奇な集合有機分子-シリコン半導体基板ハイブリッド系デバイスの探索を目的として,化学的に修飾されたシリコン半導体表面に有機単分子層および有機多層膜を構築し,その界面構造と電子状態を,放射光分光,走査トンネル顕微鏡,透過赤外吸収分光,光電子分光,4探針表面電気伝導測定で研究した

固体表面 / 走査トンネル顕微鏡 / 構造操作 / 量子散乱 / 物性理論 / 表面 / トンネル顕微鏡 / 半導体 / コヒーレンス / 操作トンネル顕微鏡 / 構造 / 散乱理論 / コヒーレント / ボゾン / フェルミオン / シリコン / ゲルマニューム / ダイマー / 構造変換 / 走査トンネル電子顕微鏡 / 微分コンダクタンス / モデルポテンシャル / 温度

走査トンネル顕微鏡(STM)を使った固体表面の構造操作について、機構を理論的に明らかにした。特に、STM探針から離れた表面原子操作について明らかにした。STMを使い半導体表面電子状態に注入された電子のコヒーレンス長について、フェルミオンである電子とボゾンである格子振動との相互作用を量子散乱機構としたコヒーレンス長の一般的表式を求め、ゲルマニューム表面でコヒーレンス長が長大になるバイアス電圧の存在を示した。

ナノ粒子 / 複合化 / 半導体 / 強磁性金属 / GaAs / Ni / Au / Pt / ナノ磁性体 / 複合界面 / 表面 / スピン相関 / スピン偏極 / Pd / 質量分析装置 / 巨大磁気モーメント / Ni合金 / 微粒子の久保効果 / ナノ合金

この研究の過程で見いだした重要な結果はPt,Pd,Auなど化学的に安定でバルクでは磁性と無縁と思われる貴金属でも、ナノ微粒子になると強磁性になることをみいだした点である。とくにPdやAuは原子の状態でも非磁性であるがナノサイズの粒子状態だけで磁性が出現する。つまり微粒子状態でだけで成り立つ独特の磁性出現機構のあることを世界で初めて明らかにした。またPt原子でも、(当然微粒子状態でも)磁性を帯びている。しかしバルクではそれが消えていく。このスピン偏極は3ナノ前後でほとんどなくなることを示した。これらのナノ粒子独特の強磁性出現機構はどのようなことからくるかに関連して、ナノ粒子の特徴である表面原子によるのではないかという仮説が理論家により提案されている。これは2次元電子系に強磁性や反強磁性の出現し得るという結果があるためであるが、ナノ粒子表面がそれと同じと考えることは疑問がのこっていた。我々はこのことを実験的に明らかにするため、Pdナノ粒子の表面にモノレーヤーを製膜するという、我々の開発した複合化技術を利用してこれを調べた。測定は、表面磁性のESR信号の特徴をあらかじめ調べた上、微粒子の表面磁性のESRモードの特徴を決め、表面モードと内部モードESRの相対強度から内部と表面で原子1個あたりどのくらいの磁気を生じているかを調べた。その結果Pd,AuやPtでは表面原子と内部でほぼ同じくらいの磁性を生じていることが実験的に明らかにされた。このことは貴金属の磁性出現機構に於いて表面の2次元性が重要ではなく、ナノ粒子自体として磁気偏極を生じるメカニズムを持つことを意味する。この結果は同時にナノ粒子自体が他にはない電子状態を作り出している事を意味し、その性質がバルクとも原子ともことなる点は応用上も注目すべき結果である。
以上はナノ粒子の表面と内部の複合効果であるが、これらを含めたナノ粒子の特異な性質を電気伝導に反映させる実験として微細加工電極間に粒径がそろったナノ微粒子を作りその磁気的性質を電気伝導を通して制御する実験も行った。この際粒径をそろえる方法として質量分析型蒸着装置のイオン源装置を導入し微粒子を微細加工電極間に作り込んだ。しかし現在の所、直径が10ナノを切ると互いに微粒子が融合して膜状になりはっきりした結果は得られていないのが現状である。しかしそれでも膜化した試料を利用して厚み変化を調べ、GaAs基板を経由した反強磁性相互作用がNiスピン間に働き金属Niの強磁性を弱めること、それがGaAs基板の伝導バンドと直接関係する事が確認され電気伝導による磁性の制御の可能性を示唆する知見が得られた。現在微粒子の融合を妨げる方法を開発しているがそれの完成により、微粒子効果を電気伝導に反映させる事が出来るものと期待される。

【研究連携者】
河原塚篤	早稲田大学	理工学術院	准教授	(Kakenデータベース)
藤田実樹	早稲田大学	理工学術院	次席研究員	(Kakenデータベース)
西永慈郎	早稲田大学	理工学術院	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
吉本真也	東京大学	物性研究所	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
成清修	九州大学	大学院・理学研究院	准教授	(Kakenデータベース)
吉本芳英	東京大学	物性研究所	助教	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
成清修	九州大学	大学院・理学研究院	准教授	(Kakenデータベース)
吉本芳英	東京大学	物性研究所	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
金道浩一	大阪大学	極限科学研究センター	助教授	(Kakenデータベース)
桜井透 (櫻井達	桜井達)	北陸先端科学技術大学院大学	材料科学研究科	助教授	(Kakenデータベース)
山田省二	北陸先端科学技術大学院大学	材料科学研究科	助教授	(Kakenデータベース)
古沢昌宏	北陸先端科学技術大学院大学	材料科学研究科	助手	(Kakenデータベース)