【研究領域課題番号】20K14775 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究領域課題番号】18H02055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光触媒 / 半導体 / 可視光 / 界面電荷移動 / 人工光合成 / 界面 / 励起

【研究成果の概要】

ナノクラスター／半導体複合体における界面電荷移動遷移（Interfacial Charge Transfer: IFCT）を用い、可視光応答光触媒を開発する。IFCTとして、半導体価電子帯からクラスターへの遷移（Band to Oxidant Charge Transfer: BOCT）と、クラスターから半導体の伝導帯への遷移（Reductant to Band Charge Transfer: RBCT）が知られる。本研究では、SrTiO3基板上にパルスレーザー堆積法とフォトリソグラフィー法によって成膜したCr2O3のパターン膜において、RBCT遷移が起こることをケルビンプローブ顕微鏡で明らかにし、さらにRBCT遷移で励起した電子と正孔の反応サイトについて、光触媒反応による粒子析出を原子間力顕微鏡で追跡することで明らかにした。具体的には、Cr2O3/SrTiO3のパターン化膜を水溶液に浸漬し励起光照射下のもと、酸化反応はマンガンイオンから酸化マンガンの析出、還元反応は金イオンから金を析出させ、酸化マンガンや金の析出する場所によって酸化サイトと還元サイトを特定した。この結果、活性サイトはいずれもパターン膜の界面（エッジ）の部分で、酸化マンガンはCr2O3側へ、金はSrTiO3に析出したことから、前者が酸化サイト、後者が還元サイトであった。すなわち、Cr2O3からSrTiO3にRBCT遷移することによって、前者に正孔が、後者に電子が生成することが示唆された。また、粒子析出の範囲がパターン膜エッジから数十ナノメートルであることから、電子と正孔の拡散距離も明らかにすることができた。プローブ顕微鏡技術と良く定義されたパターン化膜をもとに、異種半導体間での電荷移動を可視化することに成功した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2023-03-31

【配分額】16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)

【研究領域課題番号】18K13784 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光触媒 / 光電極 / 第一原理計算 / 雰囲気XPS / 界面 / バンドアラインメント / 水分解 / 半導体 / 電解液 / AP-XPS / 光電気化学 / 界面化学 / 水素製造

【研究成果の概要】

本研究では、雰囲気光電子分光(XPS)および、第一原理計算によって、光触媒/電解液界面を解析した。第一原理モデリングに関しては光触媒の動作環境下の界面を過剰電荷を含んだ界面の計算によって模擬する方法を提案した。また、同手法を用いて予測した光触媒/電解液界面構造の時間発展をモデル化し、雰囲気XPS実験結果と比較した。その結果、界面の幾何構造のみならず、その電子構造(電子準位接続)が第一原理計算によって予測されたとおりになっていることを示すことができた。また、表面改質したものに関する検討も行い、表面改質による表面幾何構造および界面電子準位接続への影響を明らかにすることができた。

【研究の社会的意義】

界面のような複雑な系に関して、第一原理計算はいまだに現象の説明に利用されることが多いが、本研究では界面構造さらにはその時間発展を第一原理計算によって予測し、これを実験的に確認できたことは意義深い。これによって界面を反応場とする触媒材料を筆頭とする多岐にわたる材料を計算機の上で設計することが期待される。また、本研究では、動作環境を模擬した計算を行ったことも、実デバイスの設計に役立つと考えられる。また、本研究で明らかになった界面の幾何構造と電子準位接続の関係は界面・表面物性の研究にとって有益である。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】23360163 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)

【研究分野】金属物性

【研究領域課題番号】23686089 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

界面 / 半導体 / 第一原理計算 / 電子状態

【研究成果の概要】

酸化物半導体・絶縁体ヘテロ界面や太陽電池用化合物半導体ヘテロ界面の構造および機能を設計する上で,界面を原子・電子レベルで定量化することが不可欠となる.本研究では,第一原理計算の段階的な高精度化に基づいた定量的計算手法を開発し,これをマクロ解析および検証実験との連携のもとでヘテロ界面に応用し,界面構造・機能に関するデータセットを構築した.さらに,界面機能を決定する諸因子に基づいたデータセットのスクリーニングから制御・設計指針を導くとともに,酸化物ヘテロ界面や太陽電池ヘテロ界面として高いポテンシャルを有する新しい系を探索した.

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2011 - 2012

【配分額】27,040千円 (直接経費: 20,800千円、間接経費: 6,240千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】22360017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】19,500千円 (直接経費: 15,000千円、間接経費: 4,500千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】18206033 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強誘電体 / 有機分子 / 不揮発メモリ / 界面 / トランジスタ型メモリ / ナノデバイス / 空乏層 / 半導体 / 不揮発性メモリ

【研究成果の概要】

本研究では、次世代不揮発メモリとして極めて有望な、金属/強誘電体/半導体(MFS)構造を有する電界効果トランジスタ(FET)の開発を、有機強誘電体材料を用いて推し進めた。その結果、従来は困難であったシリコン基板表面への強誘電体膜の直接堆積や強誘電体の分極反転に伴うFETのON/OFFスイッチングの実現に至った。また、走査型プローブ顕微鏡を援用した新しいプローブゲート方式のトランジスタ型強誘電体メモリを提案し、その動作を実証した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】49,790千円 (直接経費: 38,300千円、間接経費: 11,490千円)

【研究分野】ナノ材料・ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】15310083 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水素検出 / 共鳴核反応法 / イオンビーム分析 / 半導体不純物 / 表面分析 / 非破壊深さ分析法 / 水素 / 共鳴核反応 / 深さ分解測定 / 半導体 / 酸化物 / 界面

【研究成果の概要】

本研究では,共鳴核反応法を利用して固体中水素を高感度で測定する手法の開発とその応用に関する研究を行った。用いた核反応は^1H(^<15>N,αγ)^<12>Cである。この核反応は,6.385MeVに第一共鳴が,13.35MeVに第2共鳴があることが知られている。これまで第一共鳴を利用することで,10^<19>/cm^3の感度があることを示したが,本研究では新たに第二共鳴の核反応断面積と共鳴幅,さらに非共鳴反応断面積を詳細に測定することで,第二共鳴を用いて固体中水素を測定するときの感度と分解能の見積もりを行った。
厚さ40nmのSiNHx試料を用いて,共鳴プロファイル測定を行い第一共鳴と比較を行った。その結果第二共鳴は8.7±0.2倍の反応断面積を持つことを明らかにした。阻止能の違いを考慮すると,第一共鳴と比べて10倍の感度上昇が可能であることを示した。また検出器周辺のシールドを強化することで背景信号を30%低減することに成功した。続いて,測定限界を決定する非共鳴反応断面積を見積もるため,ビームエネルギー6-16MeVの範囲で反応断面積の測定を行った。このエネルギー領域ではγ線スペクトルに注目する核反応以外のバックグランドが観測されたため,まず非水素起源のバックグランドを見積もり,その寄与を差し引いた上で非共鳴断面積を評価した。このために共鳴プロファイルに起因するローレンツ成分と水素分布の数値的たたみ込みを行うためのプログラムを開発し,これを用いて広いエネルギー範囲での非共鳴断面積の見積もりに成功した。確立した手法を用いて,SiO_2/Si試料およびSiGe試料中の水素濃度の高感度測定を行い,デバイス特性との関連を考察した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】13,100千円 (直接経費: 13,100千円)