異種基板上へのダイヤモンド単結晶電極の創製とその光電気化学特性評価

在异质基底上制备金刚石单晶电极并评估其光电化学性能

基本信息

批准号：
10131217
负责人：
八木一三
金额：
$ 1.02万
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 (A)
财政年份：
1998
资助国家：
日本
起止时间：
1998 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

近年ダイヤモンドは、その化学的安定性やホウ素のドーピングによる導電性から電気化学においてHOPGやグラッシーカーボンなどのsp^2炭素材料に次ぐ新規の炭素電極材料として注目され始めてきた。これまでの研究では多結晶薄膜が用いられ、sp^2炭素、結晶粒界等の存在、面が揃っていない、等の多結晶膜の特徴がどのように電気化学特性に影響しているのか明らかにされてこなかった。ダイヤモンド電極の真の電気化学特性を明らかにするためには、白金などの貴金属電極の場合と同様、単結晶電極を用い、原子レベルで制御された表面を用いる必要がある。そこで、本研究においては、導電性単結晶薄膜の成長を試み、単結晶を用いてダイヤモンド電極が本来有する電気化学及び光電気化学特性の評価を目的としている。ダイヤモンド薄膜の成長はマイクロ波プラズマCVD法により行った。基板として人工合成単結晶ダイヤモンドの(100)面を用い、成長前に表面を(100)面に対して[110]方向に約4度傾けて再研磨したものを用いた。ヘテロエピタキシャル成長の場合は、火炎溶融法で作製したPt(111)単結晶を基板とした。ダイヤモンド基板上への成長膜は平坦な単結晶(100)面であることがわかった。基板にオフ角度をつけることにより基板上のステップ幅が基板表面に入射した炭素前駆体の拡散長より短くなり、ステップフロー成長が起こりやすくなったと考えられる。得られた薄膜の局所的な表面電気伝導性をAFMにより調べた。金コートされたカンチレバーで表面電流像を測定すると、ある閾値以上の電圧を印加すると、電気伝導性が著しく減少することが判った。これは探針走査中にサンプル表面の吸着水が電圧印加により反応し、ダイヤモンド表面が水素終端から酸素終端に変化したことが考えられ、電圧のON/OFFによって表面の構造を制御できることが示唆される。鏡面研磨・アニール/クエンチ処理を施したPt(111)単結晶表面を基板とし、導電性ダイヤモンド薄膜の合成を行ったところ、出力5000Wの条件では、通常の多結晶薄膜が得られた。白金表面にはダイヤモンドが生成しやすいと考えられる。平滑な表面の作製のためには、成長速度を落とす必要があると考え、3500Wの出力で成膜したところ、今度は成長速度が遅すぎて、プラズマによる表面エッチングとの兼ね合いで、十分な成膜条件に達しなかったわけである。ここで興味深いことは、三角形または六角形の結晶が多く観察されており、明らかに(111)成長モードにあると考えられる微結晶の密度が高いことから条件の最適化により(111)面の作製は十分可能であろう。

近年来，继HOPG、玻碳等sp^2碳材料之后，金刚石由于硼掺杂而具有化学稳定性和导电性，作为一种新型的电化学碳电极材料开始引起人们的关注。先前的研究使用了多晶薄膜，但多晶薄膜的特性，例如sp^2碳的存在、晶界和不平坦的表面，如何影响电化学性能尚未明确。为了揭示金刚石电极的真实电化学性质，需要使用在原子水平上控制的单晶电极和表面，就像铂等贵金属电极的情况一样。因此，在本研究中，我们将尝试生长导电单晶薄膜，并使用单晶来评估金刚石电极固有的电化学和光电化学性能。采用微波等离子体CVD法生长金刚石薄膜。以人工合成单晶金刚石的(100)面为基体，相对于生长前的(100)面以[110]方向约4度的角度对表面进行再抛光。在异质外延生长的情况下，使用通过火焰熔化生产的Pt(111)单晶作为衬底。结果发现，在金刚石基底上生长的薄膜是平坦的单晶（100）面。据认为，通过设置与基板的偏角，基板上的台阶宽度变得比入射到基板表面上的碳前体的扩散长度短，使得更容易发生台阶流生长。使用 AFM 研究了所得薄膜的局部表面电导率。当在镀金悬臂上测量表面电流图像时，发现当施加高于一定阈值的电压时，电导率显着下降。这被认为是因为在探针扫描期间样品表面吸附的水与施加的电压发生反应，并且金刚石表面从氢终止变为氧终止，这表明可以通过打开电压来控制表面结构。 /关。当使用镜面抛光、退火/淬火的Pt(111)单晶表面作为基底合成导电金刚石薄膜时，在5000W输出的条件下获得了正常的多晶薄膜。人们认为钻石很可能在铂金表面形成。为了创造光滑的表面，我们认为有必要减慢生长速度，因此我们形成了输出为3500W的薄膜，但这一次生长速度太慢了，我们必须与表面保持平衡使用等离子体蚀刻，因此我们无法实现足够的生长，这意味着未达到膜条件。这里有趣的是，观察到许多三角形或六角形晶体，并且由于微晶的密度很高，显然被认为处于（111）生长模式，因此可以通过优化条件来创建（111）平面是很有可能的。