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

基本信息

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

项目摘要

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，我们重点关注层状钙钛矿氮氧化物Ca3M2O5N2（M = Ta，Nb）。这是因为（1）氮的2p轨道形成于价带上端，从而产生可见光响应性，以及（2）层状钙钛矿的M（O，N）6八面体的几何协调结构。这是因为旋转使铁电性稳定，并且(3)岩盐层(CaO)有望充当用于产生自支撑膜的剥离表面。今年，我们尝试使用氮等离子体辅助脉冲激光沉积在单晶基底上制造Ca3M2O5N2单晶薄膜。通过监测成膜过程中薄膜表面反射电子衍射（RHEED）的振荡，我们控制了目标岩盐层和钙钛矿层的厚度，并尝试交替沉积。然而，在制作的薄膜中，没有观察到来自目标层状结构的X射线衍射峰，仅观察到来自CaTaO 2 N等简单钙钛矿结构的衍射峰。这表明在实验条件下很难制备层状Ca3M2O5N2薄膜，因为简单的钙钛矿结构是更稳定的相。同时，与上述研究并行，申请人使用钙钛矿氮氧化物CaTaO2N单晶薄膜作为光电极来影响光激发载流子的传输效率，这是提高能量转换效率的重要因素。对此。采用反应性射频磁控溅射法制备薄膜，并以空穴牺牲剂存在下光电极测得的光电流值作为评价光激发载流子输运的指标。这项研究表明，高结晶度和化学计量并不是钙钛矿型氮氧化物CaTaO2单晶薄膜中高载流子传输效率的良好指标，过量的Ca变得更加重要。以上述单晶薄膜为模型获得的知识可以为提高钙钛矿型氮氧化物光催化剂的效率提供更好的指导。

项目成果

期刊论文数量（4）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

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

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
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

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：
影响因子：
0
作者：
Sugisawa Y.;Harayama I.;Takimoto Y.;Wakasugi T.;Hirose Y.;Hasegawa T.;Ishii S.;Sekiba D.
通讯作者：
Sekiba D.

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

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Takuto Wakasugi; Kazuya Okada; Yasushi Hirose;Tetsuya Hasegawa
通讯作者：
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：
影响因子：
0
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

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