走査トンネル顕微鏡によるTiO_2(110)表面上の光反応微視過程のその場観察

扫描隧道显微镜原位观察TiO_2(110)表面光反应微观过程

基本信息

批准号：
08218214
负责人：
岩澤康裕
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 Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
1996
资助国家：
日本
起止时间：
1996 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

固体表面の光化学反応は、基礎的・応用的な観点から今日もっとも注目されている化学現象の一つである。本研究では、走査トンネル顕微鏡で熱反応過程を動的観察するとともに、光反応中の表面をその場観察することによって、これまで間接的にしか得られなかった金属酸化物表面の反応過程を原子レベルでとらえることを目標とした。まず、ルチル型二酸化チタン(TiO_2)の(110)表面を清浄化し、(1×1)清浄表面の原子像をはじめて観察した。得られた原子像がチタンあるいは酸素いづれに対応するものであるかを、ギ酸イオンの吸着を利用して判別した。次いで、顕微鏡ステージに紫外・可視励起光を入射して光照射下の表面反応をその場観察できる光学系を整備し、われわれは昨年度、顕微鏡ステージに励起光を入射して光照射下の表面反応をその場観察できる光学系を整備した。本年度さらに光照射下の表面温度上昇を抑制するために100Kまで試料を冷却できるよう試料ホルダーを改造して実験をすすめたところ、100W超高圧水銀灯による200時間連続照射によっても、TiO_2(110)表面に吸着したギ酸イオンを反応させることはできなかった。おそらく、光励起によって生成したキャリア(この場合は正孔)が、固体内部のバンド歪曲によってギ酸イオン吸着種へ到達できないのであろう。そこで、10^<-3>Pa程度の酸素、水、水素ガスを顕微鏡チャンバー内に導入して光照射をおこない、ガス雰囲気によって表面ポテンシャルを制御して有効な電荷分離を促進することを現在こころみている。また、光励起反応と相補的な情報を得るために、電子刺激脱離を利用した反応中間体検出法を開発し、固体表面の環境場が吸着分子の光反応におよぼす影響を検討している。

固体表面上的光化学反应是当今从基础和应用角度最受关注的化学现象之一。在本研究中，我们将利用扫描隧道显微镜动态观察热反应过程，以及对发生光反应的表面进行原位观察，以了解金属氧化物表面的原子反应过程，这在以前只能间接地了解目标是捕获关卡。首先，我们对金红石型二氧化钛（TiO_2）的（110）表面进行了清洗，并首次观察了（1×1）洁净表面的原子图像。利用甲酸根离子的吸附来确定所获得的原子图像是否对应于钛或氧。接下来，我们安装了一个光学系统，使我们能够将紫外/可见激发光注入显微镜载物台并观察光照射下的表面反应。去年，我们将激发光引入显微镜载物台并观察光照射下的表面反应。安装了可以进行现场观察的光学系统。今年，为了进一步抑制光照射下表面温度的上升，我们对样品架进行了改造，将样品冷却至100K，并进行了实验，使其上吸附的甲酸根离子无法发生反应。由于固体内部的能带畸变，光激发产生的载流子（在这种情况下为空穴）可能无法到达甲酸离子吸附的物质。因此，我们目前正在尝试通过将约10^-3Pa的氧气、水和氢气引入显微镜室中并用光照射它们，根据气体气氛控制表面电势来促进有效的电荷分离。。此外，为了获得与光激发反应互补的信息，我们开发了一种利用电子刺激解吸检测反应中间体的方法，并正在研究固体表面的环境场对吸附分子光反应的影响。