【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】19K15050 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコン / ナノワイヤ / フォノン散乱 / 界面 / 表面 / 変形ポテンシャル / 電子フォノン散乱

【研究成果の概要】

本年度は主に、1)シリコンナノ構造界面におけるフォノン散乱の変調と2)金属系材料の抵抗率計算で進展があった。
1)シリコンナノ構造界面におけるフォノン散乱の変調については、昨年度まで実施していた分子動力学計算・強結合近似計算・量子輸送計算を連携した手法を用いて移動度の温度依存性を計算した。その結果、酸化膜で被覆されたシリコンナノワイヤ中の電子移動度の方が、水素終端シリコンナノワイヤ中の電子移動度よりも強い温度依存性を持つことを明らかにした。これは、昨年度までで判明した酸化膜被覆シリコンナノワイヤにおける電子移動度の劣化が、界面ラフネス由来ではなくフォノン散乱の変調であることを示唆している。一方で、ゲルマニウムナノワイヤに対して同様の計算を実施した場合は、酸化膜の有無は顕著な移動度変化を発生させなかった。これはシリコンとゲルマニウムの機械的特性の違いに起因していると予想されるため、今後検証を行う。
2)金属系材料の抵抗率計算では、本研究で開発した手法が別種の材料系でも適用可能かを検討した。白金ナノシートでは、表面に吸着した水素と酸素の量に依存して電気抵抗が変化するため、水素ガスセンサとして用いられる。しかし、フォノン散乱と吸着ガスによる散乱が共存する系を定量的に解析することは困難であった。本研究では、反応力場に基づく分子動力学計算・密度半関数計算・量子輸送計算を連携することで、半導体ナノ構造と同様にキャリア散乱を取り扱うことに成功した。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究領域課題番号】18H01889 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

グラフェン / 表面 / 界面構造 / 成長技術 / 界面 / 移動度 / 電子状態 / 移動度向上 / 高周波トランジスタ

【研究成果の概要】

本研究では、SiC熱分解法により成長したグラフェンのキャリア移動度に影響を与える因子とその寄与を明らかにするために研究を行った。得られた実験結果から、グラフェンの質については他の手法との顕著な差はない一方で、熱分解後のSiC基板における欠陥が移動度を低下させていることが示唆された。グラフェン/SiC界面構造の影響について、高圧水素によるインターカレーションを行い、インターカレーションの初期過程における微視的メカニズムを明らかにした。また、本研究で確立した大面積グラフェン転写技術を用いて、mmスケールのツイスト2層グラフェンの作製とその電子状態観測にも成功した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)

【研究領域課題番号】18H03876 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化物 / 表面 / 界面 / 固体化学 / 電池 / 触媒

【研究成果の概要】

金属元素を含む複合酸化物の表面と界面は、電池反応や触媒反応が起きる舞台として極めて重要である。しかし、複合酸化物について 、原子レベル空間分解能で表面や界面の電子状態を明らかにすることは難しい。そこで代表者らは、金属酸化物エピタキシャル薄膜作製技術と走査トンネル顕微鏡(STM )技術を組み合わせ、金属酸化物薄膜表面における原子構造や特異な電子状態を明らかにしてきた。そして本研究では、その表面・界面の知見を環境・エネルギー材料開発に展開する。具体的には、応用物理的視点(固体物理や半導体物理)を電気化学研究に導入し、異分野融合を意識しつつ、物質開拓、および物性研究を行った。

【研究の社会的意義】

金属酸化物は機能の宝庫であり、Liイオン電池、燃料電池、触媒等、環境・エネルギーデバイスにおける基幹材料である。そして、それらデバイスの動作原理において、特に、表面、および界面が極めて重要である。しかし、表面・界面の調製が非常に難しく(表面汚染・組成ずれ・終端面制御など)、原子レベル空間分解能での理解は乏しいのが実情であった。そのため、原子配列構造が不明なまま、電池や触媒研究が進められていた。つまり、シミュレーションの信頼性や実験データの解釈において限界があった。本研究ではモデル系を作製し、定量的な研究を進める点で意義がある。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】43,810千円 (直接経費: 33,700千円、間接経費: 10,110千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】16K13681 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

液体金属 / 表面 / 清浄表面 / 光電子分光 / 酸化 / 表面清浄化 / 酸化膜 / 放射光 / 界面 / 電子状態 / 赤外吸収分光 / 振動分光 / 化学反応

【研究成果の概要】

液体金属表面の光電子分光測定用にサンプルホルダーを試作した。液体金属試料として、無害で蒸気圧が低いGaInを選んだ。まず、大気中から真空チェンバーに導入したそのままの状態のXPS測定を行なった。その結果、表面は数層にわたりGa酸化物で覆われていることがわかった。次に、液体金属の表面を清浄化するために、液体窒素で冷却しGaInを固化してArイオン・スパッタリングを行なった。表面のGa酸化物はほぼ無くなり、液体GaIn清浄表面のXPSスペクトルが得られた。液体GaIn清浄表面に酸素を室温で導入しXPS測定を行なった。1111 Lまで酸素曝露後、Gaの酸化が段階的に進行することがわかった。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】26246022 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化物表面 / 界面 / 走査プローブ顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡 / ペロブスカイト / 二次元電子状態 / 超伝導 / 金属酸化物 / 表面 / 酸化物エレクトロニクス / 薄膜 / 酸化物薄膜 / 表面科学 / 表面・界面物性 / 強相関エレクトロニクス / 強相関電子系 / 超薄膜 / 電気伝導 / 二次元電子 / 酸化物 / 表面・界面

【研究成果の概要】

遷移金属酸化物は、通常の半導体には見られない多彩な機能を示すことから、次世代エレクトロニクス材料として活発な研究が展開されている。近年、酸化物作製技術が急速に発展したことにより、原子レベルで急峻な界面を有する薄膜やヘテロ構造の作製が可能になり、新しい物性・機能が見出されている。このような酸化物薄膜やヘテロ構造が示す機能の探求・解明のためには、酸化物薄膜について、電子状態評価を原子レベル空間分解能で行うことが重要である。
そこで、我々は独自の走査トンネル顕微鏡-成膜装置複合システムを構築し、遷移金属酸化物薄膜表面・界面の原子構造と電子状態に関する研究を進めた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】36,530千円 (直接経費: 28,100千円、間接経費: 8,430千円)

【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】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】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】21244045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面 / 界面 / 固液界面 / 水溶液 / 電気化学 / 電気二重層 / 電解質イオン / 特異吸着 / ポーラロン / フォノンカップリング / ナノ空間 / 計算機シミュレーション / 溶液物性 / 電気化学的過程 / 電気化学過程

【研究成果の概要】

種々の分子シミュレーションの手法を用いて、固液界面での電解質水溶液の構造とダイナミクスを調べ、特徴的な空間スケールと時間スケール、水素結合ネットワーク中での各イオン種のふるまい、電気二重層構造の起源にミクロな視点からの理解を与えた。電極電位の効果を考慮して酸性溶液と白金電極との界面における水素発生の機構を定量的に評価した。また、界面系への適用を視野に光励起や電場の印加に始まる電子移動を扱うための理論的枠組みを構築した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2009 - 2012

【配分額】28,210千円 (直接経費: 21,700千円、間接経費: 6,510千円)

【研究分野】複合材料・物性

【研究領域課題番号】19560690 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面 / 界面 / 析出物 / 平衡形状 / 擬多面体 / 微粒子

【研究成果の概要】

微量なAgを含むCu合金など,適当な組成の合金を高温域で保持すると,固体内拡散で合金を構成する原子が移動し,析出物と呼ばれる粒子が形成される.この析出物の形状や大きさは材料における種々の性質を支配するため,どういった機構により析出物の形状や大きさが決定されているかを解明することは,工業的にも学術的にも極めて重要である.本研究は,合金中に析出する擬多面体形状(多面体に近いものの丸い角を持つ形状)の析出物を観察し,その形状が何によって決まっているかを明らかにした研究である.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】19550008 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面 / 界面 / 密度汎関数法 / ベンゼン酸化 / ゼオライト / TAP / レニウム / バイオガス / 合成ガス / 表面設計 / 蛍光寿命 / 光脱離 / 光反応 / テンソルLEED / ナノ粒子 / 結晶成長機構 / 電子刺激脱離 / パルス分子線 / 動的モンテカルロ法 / 遺伝的アルゴリズム

【研究成果の概要】

表面化学反応の速度の測定法の確立と高活性を示す触媒を設計するための指針を確立することを目的として、本研究を遂行した。電子刺激脱離装置にパルス分子線と窒素レーザー励起を組み込んだ。TAP装置の改良を行い、シリカ担持ニッケル触媒のバイオガスから合成ガスへの変換過程を測定した。固定化可能なイオン液体を開発し、有効な触媒を開発した。また、コバルト酸化物、コバルト水酸化物のナノ結晶の形状制御と、それらの触媒反応への応用を行った。密度汎関数法を用いて、ルテニウム固定化触媒と、ゼオライト担持レニウム固定化触媒の活性構造と反応機構を解明した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】ナノ構造科学

【研究領域課題番号】16310070 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコン / 表面 / 有機分子 / 電子エネルギー損失分光 / 走査型トンネル顕微鏡 / 第一原理計算 / 吸着 / 界面 / X線吸収分光 / X線発光分光 / STM / 光電子分光

【研究成果の概要】

実験と理論両面からSi(100)表面に吸着した有機分子の構造と電子物性について研究を行い,以下の成果を得た.
(1)低温のSi(100)c(4x2)表面に2メチルプロペンやプロピレンを吸着させ,その吸着状態を電子エネルギー損失分光(EELS),走査型トンネル顕微鏡(STM),第一原理計算を用いて詳細に調べた.非対称大マーに対してマルコフニコフ則が成り立つように吸着することが解明された.
(2)低温のSi(100)表面にπ鎖体型で弱く吸着したエチレン分子に対し波長選択した可視・紫外光を照射した際の光脱離と光誘起化学吸着反応について実験的研究を行った.光誘起によりπ鎖体型エチレンは,光脱離と光解離が起こることが分かった.
(3)Si(100)表面に吸着した1,4シクロヘキサジエンは基板温度により3つの異なる吸着状態をとることが観測された.室温での吸着状態(机型と考えられる)をとる単一吸着分子に対してトンネル分光を行い,電流-電圧特性の中に分子に由来すると考えられる特徴あるピークが観測された.
(4)SiO_2/Si(111)および酸窒化膜/Si(111)の界面の電子状態を調べるために,軟X線吸収分光/軟X電発光分光をSPring8にて行った.異なる化学状態にある酸素および窒素のIs内殻準位から非占有状態への軟X線励起を選別することにより異なるサイトごとの価電子帯の電子状態を測定した.第一原理計算の結果とあわせて,界面の局所電子状態についての知見が初めて得られた.
(5)第一原理計算の枠組みで,電場を印可した状態下で,Si(001)表面にdi-σ吸着した炭化水素分子の吸着状態を理論的に研究した.1V/Åくらいまでの電場条件下では吸着構造や震度数に対する顕著な変化は生じないものの,分子由来の軌道のエネルギー準位と基板由来のそれとの間に電場の大きさや分子の吸着高さ・軌道の性質を反映した〜1V程度のシフトが生じることが明らかになった。
(6)シリコン表面に,サブμmオーダーの金属ワイヤなど人工構造を電子ビーム誘起表面反応で作製する装置を開発した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】15,800千円 (直接経費: 15,800千円)

【研究分野】固体物性Ⅰ(光物性・半導体・誘電体)

【研究領域課題番号】13874038 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面 / 界面 / 高分子鎖 / モンテカルロシミュレーション / 構造形成 / 高分子類

【研究成果の概要】

前年度の課題であった,TVの走査線のように折り畳んだ状態を一意な基底状態として持つモデル鎖を数種類デザインすることに成功した。
このモデル鎖は高温ではランダムに広がった構造をとるが,温度を下げると比熱の鋭いピークを伴ってこの基底状態へと転移する。この時,望んでいるように相互作用している鎖の基本単位のペアの数は0から急峻に基底状態での値に転移し,この温度を通過すると折り畳まることがわかった。また,転移の温度は数種類デザインした鎖の長さには依存しなかった。
鎖の基本単位間に導入した主な相互作用は水素結合のように極性(向き)を持ち,さらにパリティを破っておく必要が基底状態を裏返しに対して一意にするために必要であった。この主な相互作用に加えて,極性のない相互作用や折り畳んだときに端になるべき部分は他の単位と接触しないようにする相互作用を加えたときの熱力学的な性質の変化を調べたところ,これら2種類の相互作用はいずれも転移温度を上昇させたが,無極性の相互作用が転移をなまらせるのに対して,端に付加した相互作用は転移をどちらかというとはっきりさせた。
また,完全にランダムに相互作用を導入した鎖や無極性相互作用のみを導入した鎖とデザインした鎖の熱力学的性質を比較した。
これらの結果は現在投稿準備中である。
さらに,デザインした鎖が動的に折り畳み可能かを調べるために適当な鎖の局所的構造遷移のセットとそれらの頻度を定義して緩和シミュレーションを行ったところ,デザインされた鎖はさきの比熱の鋭いピーク温度の少し下で高い確率で基底状態へと折り畳まれていくことがわかった。ランダムな鎖などとの違いについてさらに検討を行っていきたい。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】1,600千円 (直接経費: 1,600千円)

【研究分野】金属物性

【研究領域課題番号】07305031 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超高圧電子顕微鏡 / 電子レベル評価 / ナノプロセッシング / 元素マッピング / 界面 / 表面 / 相変態 / 照射損傷 / 原子レベル評価 / 高分解能動観察 / 局所元素分析 / 表面・界面 / ミキシング

【研究成果の概要】

原子レベルでのキャラクタリゼーションとナノプロセッシングの融合を計った。
各種セラミックスにおける基本構造と微細構造を原子レベルで観察・解析を行うとともに、元素マッピング像による各種材料および生物試料のキャラクタリゼーション法を確立し、EELSスペクトルの精密解析より微少領域における電子構造、元素分析を行い、材料物性との関連を追究した。また、臨界電圧効果によるYBCO中の局所酸素濃度分析も行った。
高分解能電子顕微鏡による不規則-規則変態における規則相の核発生および成長過程、結晶の欠陥、結晶の溶融過程の原子レベルでの動観察を行った。鉄基形状記憶合金におけるfcc-hcp変態における部分転位の役割に関する動観察も行った。ダイアモンド薄膜のナノプロセッシングによる高機能化を試みた。イオン照射によるカスケード損傷と電子線照射によるフレンケル損傷の競合効果について検討し、低温領域での照射促進拡散を用いたナノプロセッシングにより異種物質接合界面近傍における傾斜組成領域の形成を試みた。格子励起と電子励起効果の比率を変えて組織を制御することにより、組織制御領域の微少化を検討した。Si表面における膜成長過程を研究するとともに、電子線によるスパッタリングによるナノプロセッシングを試みた。電子照射による化合物結晶の化学的不規則化、相分離およびアモルファス化を支配する因子の抽出し、電子線を用いたナノプロセッシングの方法を確立した。電子線トモグラフィのLSI試料の構造欠陥部位の特定とナノプロセッシングへの応用も行った。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)