原子間力顕微鏡による単原子の力学的な元素識別

使用原子力显微镜识别单个原子的机械元件

基本信息

批准号：
14J00689
负责人：
小野田穣
金额：
$ 2.91万
依托单位：
The University of Tokyo (2015-2016)Osaka University (2014)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究課題では、原子間力顕微鏡(AFM)によって計測した最大化学結合エネルギーとPaulingの極性共有結合の式を組合わせ、原子スケールでの普遍的な元素識別法を確立することを提案していた。最終年度では、そのような普遍的な元素識別法の確立に成功するだけでなく、同手法によって原子スケールで個々の原子の電気陰性度を決定できることも見出した。本手法の検証のため、Si表面にGe、Sn、Al、Oの単原子を蒸着し、これらの元素とSi探針との間の結合エネルギーを測定した。系統的に結合エネルギーを調べた結果、元素毎に固有の傾きと切片を持つ一次関係を得ることができた。Paulingの式によると、一次関係の傾きは化学結合の共有性を現しており、その値が元素固有であることから元素識別が可能であることが分かった。一方、切片は化学結合のイオン性と関連しており、電気陰性度を評価できることが示唆される。イオン性を解析した結果、本手法によって元素識別だけでなく、各元素の電気陰性度も決定できることが分かった。更に、より詳細な解析を行った結果、測定対象の原子が同じ元素であっても、その原子の周囲の化学環境が異なる場合、電気陰性度も変化することが判明した。電気陰性度は周期表上では元素毎に固有の値が与えられているが、原子が化学環境の影響を受ける場合は「グループ電気陰性度」と呼ばれており、原子スケールで評価したのは本研究が初である。以上の結果から、本手法は様々な研究に応用できる。例えば触媒反応への応用として、まず初めに電気陰性度測定によって触媒表面や有機分子の化学活性度を評価する。その後、AFM観察によって化学反応を追跡し、反応によって生じた最終生成物の分子や原子を元素識別法によって明らかにすることも可能である。本研究課題の成果は原子スケールの化学や材料科学を基礎と応用の面から発展させていくと期待できる。

在这个研究项目中，我们提出将原子力显微镜（AFM）测量的最大化学键能与鲍林极性共价键方程相结合，建立一种原子尺度上的通用元素识别方法。在研究的最后一年，他不仅成功建立了这样一种通用的元素识别方法，而且还发现该方法可以用于在原子尺度上确定单个原子的电负性。为了验证该方法，我们在 Si 表面沉积了 Ge、Sn、Al 和 O 的单原子，并测量了这些元素与 Si 尖端之间的键能。通过系统地检查键能，我们能够获得每个元素具有独特斜率和截距的线性关系。根据鲍林方程，线性关系的斜率代表了化学键的共价性质，并且由于其值是元素特定的，因此发现元素识别是可能的。另一方面，截距与化学键的离子性有关，这表明可以评估电负性。分析离子性的结果发现，该方法不仅可以识别元素，还可以测定各元素的电负性。此外，更详细的分析结果发现，即使测量的原子是同一元素，如果原子周围的化学环境不同，电负性也会发生变化。元素周期表中的每种元素的电负性都被赋予了唯一的值，但当原子受到化学环境的影响时，它被称为“基团电负性”，当在原子尺度上评估时，这项研究是同类研究中的首次。基于上述结果，该方法可以应用于各种研究。例如，当应用于催化反应时，首先通过测量电负性来评估催化剂表面和有机分子的化学活性。然后可以使用 AFM 观察来跟踪化学反应，并使用元素识别来揭示反应产生的最终产物的分子和原子。该研究项目的成果有望从基础和应用方面推动原子尺度化学和材料科学的发展。