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表面反応ダイナミクス研究グループ

2012年05月10日更新
表面反応解析手法が生み出す新しい機能性表面・薄膜材料
　固体は化学結合の「手」が三次元状に広がってできています。固体を限りなく薄く、細くしていくと、結合の「手」が二次元状あるいは一次元状に制約されるため、バルク固体にはない新しい物性や機能が発現します。特に厚さが1原子層レベルのごく薄い膜や、大きさがナノメートルサイズの低次元物質では、大きな固体バルクとは全く異なる新しい電気的、光学的、化学的性質を示すことがあるため、革新的な電子材料、触媒、光学素子、センサー、水素吸蔵材などさまざまな分野での応用が考えられています。表面反応ダイナミクス研究グループでは、これらの超薄膜やナノ物質、低次元物質の構造と化学結合状態を高速で評価するための新しい軟Ｘ線分光法を開発しています。実際に、高度に制御された量子ビーム技術（分子ビーム、イオンビーム、放射光）を用いて、固体表面に新しい単分子層薄膜やナノ構造物質を作製し、その化学結合状態を原子レベルでその場観察します。これにより、新しい機能を持つ表面・薄膜の開発に貢献することを目指しています。

研究内容

軟X線放射光を用いた表面・薄膜の分光学的手法による新しい反応・構造解析方法の開発

  • 高速光電子分光法の開発：固体表面で化学結合状態が変化する様子を実時間で観察するための高速光電子分光システムを開発しています。
  • 顕微XAFSの開発：固体表面に作製した薄膜や低次元物質の化学結合状態分布をナノメートルスケールで観察するための顕微X線吸収分光法（顕微XAFS）の開発を行っています。また、その変化を実時間で観察するための高速顕微XAFSシステムを開発しています。
  • 光刺激イオン脱離手法の開発：軟Ｘ線放射光を固体表面に照射し、内殻電子励起によって脱離するイオンの強度と角度分布を測定することにより、最表面層の化学結合状態や吸着構造を調べるための手法を開発しています。

機能性酸化物・窒化物薄膜の創製と解析方法に関する研究

　この研究では、最先端の超音速分子線技術を用いて表面化学反応を原子レベルで制御することにより、熱化学反応では得られない表面・薄膜の創製とその場観察を目指しています。具体的には、気体分子の運動エネルギーを熱運動領域（0.03 eV）から数 eVまでの範囲で変化させて固体表面に分子を衝突させる技術や、分子吸着とそれに続く極薄膜形成過程を高分解能光電子分光でその場観察する技術を開発しています。これらの技術を用いて、触媒金属材料、半導体材料表面に熱化学反応では得られない極薄の酸化膜、窒化膜、酸窒化膜などを作製します。これにより、水素生成触媒、環境浄化触媒、低電力電子デバイスなど、環境・エネルギー分野での重要な材料・プロセス開発に資することを目指しています。

機能性有機分子・生体分子薄膜の創製と解析方法に関する研究

　有機分子や生体分子など、「ソフトマター」とよばれる物質でできた固体薄膜素子が近年急速に注目を集めています。有機系薄膜には柔軟性、分子設計の多様性などの利点があり、既に液晶や有機ELデバイスとして使われているほか、有機電界効果トランジスタなど様々な電子デバイス開発が行われています。これらのデバイス開発に当たっては、有機薄膜／金属界面の電子構造、薄膜の成長機構や吸着分子の向き、表面拡散など多くの研究課題があります。本研究では、真空蒸着法、イオンビーム注入法、自己組織化吸着などにより、金属や導電性酸化物表面に有機・生体分子薄膜を制御しながら堆積させ、その構造を水平偏光放射光を用いたX線吸収分光法などによりその場観察します。また、新しく開発している顕微XAFS法により、ナノメートルスケールでの化学結合状態分布やその時間変化を明らかにします。これらの実験技術により、新しい機能を持つ有機・生体分子薄膜の開発に貢献します。

グループメンバー

播磨チーム

寺岡 有殿 主任研究員・グループリーダー・（兵庫県立大学連携大学院　客員教授）
吉越 章隆   副主任研究員
岡田 隆太   特別研究生（筑波大学）
神農 宗徹   連携大学院学生研究生（兵庫県立大学）
岩井 優太郎   学生実習生（兵庫県立大学）

東海チーム

関口 哲弘 主任研究員
下山 巖   副主任研究員
平尾 法恵   技術開発協力員

外部資金獲得研究課題

科研費

基盤研究A ナノ配向マッピング手法の開拓（H20-H23）
基盤研究B   超熱分子ビームによる次世代ナノファブリケーションの実空間“その場”観察（H19-H21）
基盤研究B   次世代CMOSプロセスを基礎付けるSi(110)表面酸化機構の解明と電気特性（H19-H20）
（分担：東北大学と連携）
基盤研究B   フラーレン-遷移金属ハイブリッド材料のスピン輸送機能デザイン萌芽研究（H19-H21）
（分担：先端基礎研究センターと連携）
基盤研究B   分子ビーム誘起表面反応の立体制御と超高速高分解能光電子分光分析（H20-H22）
萌芽研究   高密度放射線励起場における低温凝縮系からの物質合成（H17-H19）
萌芽研究   超音速分子ビームによる機能性極薄膜作成プロセスの研究（H17-H19）
萌芽研究   高速重イオンによる電子励起ミキシングの機構解明と複合酸化物、珪素化物合成への応用（H17-H19）
（分担：大阪府立大学と連携）
萌芽研究   曲面構造がπ共役系炭素触媒に及ぼす影響：ドーパント効果の解明（H24-H26）

その他

文部科学省ナノテクノロジー総合支援プロジェクト ナノファブリケーションシステムのリアルタイム制御・評価（H14-H18）（分担）
花王財団   高輝度軟X線放射光光電子分光による表面化学反応のサブミリ秒観察法の開発（H15）
立教大学学術推進特別重点資金プロジェクト研究   低エネルギーイオンと凝縮性固体表面の相互作用の実験的研究（H19-H20）
（分担：立教大学理学部と連携）
文部科学省先端研究施設共用イノベーション創出事業   放射光を利用したナノ構造・機能の計測・解析（H19-H23）（分担）
NEDO水素貯蔵材料先端基盤研究事業   水素と材料の相互作用の実験的解明（H19-H23）（分担）

受賞

  • High Performance Presentation Award
    International Meeting on Novel Catalyst Design and Surface Science
    Time-evolution of oxidized states at Ni(111) surface induced by translational energy of O2 molecules
    Keisuke Inoue, Yuden Teraoka
    2011年
  • 第16 回DV-Xα研究協会奨励賞
    X 線吸収分光法の偏光特性を用いたπ共役B, C, N 系材料の水素吸蔵と触媒活性に関する研究
    下山　巖
    2011年
  • 第8回優秀ポスター賞
    The 6th International Conference on DV-Xa Method /第23回DVXα研究会
    Site-selective adsorption of atomic deuterium on a hexagonal boron nitride thin film
    Kaveenga Rasika Koswattage, 下山、関口、馬場、中川
    2010年
  • Student Award
    7th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices’09
    Real-time photoelectron spectroscopy study of 3C-SiC nucleation and growth on Si(001) surface by carbonization with ethylene
    Hideaki Hozumi, Shuichi Ogawa, Akitaka Yoshigoe, Shinji Ishidzuka, James Harries, Yuden Teraoka, Yuji Takakuwa
    2009年
  • 第16回（平成19年度）日本真空協会真空進歩賞
    「Si(001)表面酸化過程のリアルタイム光電子分光観察：仕事関数と界面電子状態」
    小川修一、高桑雄二
    真空 49(5), 327-330 (2006)
    「超音速窒素分子ビームを用いたTi(0001)表面窒化反応のリアルタイム光電子分光」
    小川修一、高桑雄二、石塚眞治、吉越章隆、寺岡有殿、水野善之
    真空 49(12), 775-779 (2006)
    2007年
  • IWDTF Young Researcher Award
    2006 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future ULSI devices : Science and Technology
    Layer-by-layer oxidation on Si(001) surface studied by real-time photoelectron spectroscopy using synchrotron radiation
    Shuichi Ogawa, Akitaka Yoshigoe, Shinji Ishidzuka, Yuden Teraoka, Yuji Takakuwa
    2006年
  • 第15回応用物理学会講演奨励賞
    第64回応用物理学会学術講演会
    超熱酸素分子ビームによるCu{111}表面の酸化過程
    盛谷浩右、岡田美智雄、佐藤誠一、後藤征士郎、笠井俊夫、吉越章隆、寺岡有殿
    2004年
  • 第13回真空進歩賞
    第45回真空に関する連合講演会
    超高真空対応型配向分子線ビームラインの開発
    真空, 46, 692-697 (2003)
    盛谷浩右、岡田美智雄、後藤征士郎、笠井俊夫
    2004年
  • 優秀ポスター賞
    第45回真空に関する連合講演会
    N+ビーム照射Si酸窒化膜におけるN化学結合状態の放射光XPS測定
    鉢上隼介、寺岡有殿
    2004年

最新の成果発信

最近の研究成果

過去の成果一覧