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，由于钻石材料的化学稳定性和由于硼掺杂而引起的化学稳定性和电导率，因此钻石已开始成为新的碳电极材料，仅次于SP^2碳材料。先前的研究使用了多晶薄膜，尚未澄清多晶膜的特征，例如Sp^2碳，晶界等如何影响电化学性质。为了阐明钻石电极的真实电化学特性，有必要使用单晶电极和原子水平受控的表面，例如贵金属电极（如铂金）。因此，在这项研究中，我们试图种植导电性的单晶薄膜，并旨在评估使用单晶钻石电极的固有电化学和光电化学性质。钻石薄膜由微波等离子体CVD生长。底物是人为合成的单晶钻石的A（100）表面，在生长之前，通过将其倾斜约4度，相对于（100）表面，将表面倾斜约4度。在异性生长的情况下，将PT（111）通过火焰熔化方法制备的单晶作为底物。发现钻石底物上的生长膜是平坦的单晶表面。通过将一个非角度设置为基板，基板上的步骤宽度比碳前体的扩散长度短于基板上的碳前体的扩散长度，从而更容易发生阶梯流。 AFM检查了所得薄膜的局部表面电导率。用镀金的悬臂测量表面电流图像表明，在一定阈值以上的电压施加显着降低了电导率。这表明样品表面上的吸附水与探针扫描过程中的电压施加反应，从而导致钻石表面从氢终止变为氧终止，这表明可以通过打开/关闭电压来控制表面的结构。使用PT（111）的单晶表面进行镜面钻石薄膜合成导电钻石薄膜，该薄膜经历了镜面抛光，退火和淬火。在输出5000W的条件下，获得了正常的多晶薄膜。人们认为钻石可能在铂表面形成。为了制造光滑的表面，有必要降低生长速度，因此我们以3500W的输出形成了膜，这一次生长速率太慢了，由于使用血浆进行表面蚀刻，因此未达到足够的膜形成条件。有趣的是，已经观察到许多三角形或六边形晶体，并且显然认为处于（111）生长模式的微晶体密度很高，因此（111）表面可以通过优化条件来充分制造。