可視光応答性と強誘電性をもつ酸窒化物単結晶自立膜の開発と光触媒応用

具有可见光响应性和铁电性的自支撑氮氧化物单晶薄膜的开发及光催化应用

• 批准号: 21J11596
• 负责人: 若杉 択人
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J11596/
• 关键词: 酸窒化物; エピタキシャル薄膜; 水分解光電極; 自立膜; 強誘電体; 光励起キャリア輸送; ペロブスカイト; 層状ペロブスカイト

本研究では、層状ペロブスカイト型酸窒化物Ca3M2O5N2 (M = Ta, Nb)に着目した。なぜなら、（１）窒素の2p軌道が価電子帯の上端に形成されることで可視光応答性を持つ、（２）層状ペロブスカイトのM(O,N)6八面体の幾何学的な協奏的回転によって、強誘電性が安定する、（３）岩塩層(CaO)が自立膜作製のための剥離面として機能すると期待されるからである。本年度は、Ca3M2O5N2単結晶薄膜の単結晶基板上への作製を、窒素プラズマ支援パルスレーザー堆積法を用いて試みた。成膜プロセス中に薄膜表面からの反射電子回折(RHEED)の振動を監視することで、目的物の岩塩層とペロブスカイト層の膜厚を制御し、交互堆積を試みた。しかし、作製した薄膜からは目的物である層状構造由来のX線回折ピークは見られず、CaTaO2N等の単純なペロブスカイト構造由来の回折ピークのみが観測された。これより、単純なペロブスカイト構造がより安定相であるため、今回の実験条件では層状Ca3M2O5N2薄膜の作製は困難であることが判明した。一方、申請者は上記の研究と並行して、ペロブスカイト型酸窒化物CaTaO2Nの単結晶薄膜を光電極として用いて、エネルギー変換効率の向上に重要な要素である、光励起キャリアの輸送効率に影響を与える因子の調査を行った。薄膜の作製には、反応性R Fマグネトロンスパッタ法を用い、光励起キャリア輸送の評価は、正孔犠牲剤存在下での光電極測定による光電流値を指標とした。本研究により、ペロブスカイト型酸窒化物CaTaO2N単結晶薄膜において、高結晶性と化学量論組成は高キャリア輸送効率のための良い指標ではなく、Ca過剰であることがより重要であることが明らかになった。以上の単結晶薄膜をモデルとして用いて得られた知見は、ペロブスカイト型酸窒化物光触媒の効率向上のよりよい指針となりうる。

在这项研究中，我们专注于分层的钙钛矿氧硝酸盐CA3M2O5N2（M = TA，NB）。这是因为（1）预计在价带的顶部边缘形成了2p的氮轨道，使其可见光的响应能力有力，（2）由于M（O，n）的六角洲六角体的几何旋转而稳定了落下的M（O，n）的作用（3）的作用（3）的作用（3）的作用（3）的作用（3）。一部独立电影。今年，我们尝试使用氮等离子体辅助的脉冲激光沉积在单晶底物上制造CA3M2O5N2单晶薄膜。在膜沉积过程中，控制目标岩盐层和钙钛矿层的厚度，并尝试交替沉积。然而，从薄膜中观察到从目标层状结构得出的X射线衍射峰，并且仅观察到从catao2n等简单的钙钛矿结构得出的衍射峰。这表明，由于简单的钙钛矿结构是一个更稳定的相，因此在当前的实验条件下很难制造分层的Ca3M2O5N2薄膜。同时，与上述研究同时，申请人使用了钙钛矿氧硝基catao2n的单晶薄膜作为光电子的光电子，以研究影响光激发载体运输效率的因素，这是提高能量转化效率的重要因素。使用反应性RF磁控溅射法制造薄膜，并使用光电流测量获得的光电流值在存在孔子牺牲剂作为指数的情况下使用光电流值进行评估。这项研究表明，在钙钛矿型中氧硝基含量CATAO2N单晶薄膜，高结晶度和化学计量组成并不是高载流子运输效率的好指标，并且CA更重要。使用上述单晶薄膜作为模型获得的发现可以作为提高钙钛矿型氧硝基光催化剂效率的更好指南。

项目成果

Installation of TOF-E telescope ERDA in UTTAC at the University of Tsukuba: Analysis of metal-nitride-based multi-layer coatings on glasses

在筑波大学 UTAC 中安装 TOF-E 望远镜 ERDA：分析玻璃上的金属氮化物基多层涂层

• DOI: 10.1016/j.nimb.2021.07.006
• 发表时间: 2021
• 期刊: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms
• 作者: Sugisawa Y.;Harayama I.;Takimoto Y.;Wakasugi T.;Hirose Y.;Hasegawa T.;Ishii S.;Sekiba D.
• 通讯作者: Sekiba D.

CaTaO2N単結晶薄膜光電極のキャリア輸送効率に影響を与える因子の探索とゼロバイアス水分解反応の実現

寻找影响CaTaO2N单晶薄膜光电极载流子传输效率的因素，实现零偏压水分解反应

• 发表时间: 2022
• 作者: 若杉 択人，廣瀬 靖，岡田 和也;長谷川 哲也
• 通讯作者: 長谷川 哲也

Enhanced photocurrent in CaTaO2N epitaxial thin film photoanodes with off-stoichiometry and “poor” crystallinity

具有非化学计量和“差”结晶度的 CaTaO2N 外延薄膜光阳极的光电流增强

• 发表时间: 2021
• 作者: Takuto Wakasugi;Kazuya Okada;Yasushi Hirose and Tetsuya Hasegawa
• 通讯作者: Yasushi Hirose and Tetsuya Hasegawa

Heteroepitaxial Growth of a Ta3N5 Thin Film with Clear Anisotropic Optical Properties

具有清晰各向异性光学特性的 Ta3N5 薄膜的异质外延生长

• DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c03673
• 发表时间: 2021
• 期刊: The Journal of Physical Chemistry Letters
• 作者: Wang Yannan;Hirose Yasushi;Wakasugi Takuto;Masubuchi Yuji;Tsuchii Masato;Sugisawa Yuki;Sekiba Daiichiro;Chikamatsu Akira;Hasegawa Tetsuya
• 通讯作者: Hasegawa Tetsuya