非接触原子間力顕微鏡によるカーボン材料の個々のドーパントの化学識別

通过非接触式原子力显微镜化学鉴定碳材料中的单个掺杂剂

基本信息

批准号：
14F03355
负责人：
杉本宜昭
金额：
$ 1.92万
依托单位：
The University of Tokyo (2015)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 2016-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14F03355/
关键词：
走査型プローブ顕微鏡

项目摘要

ダイヤモンド、グラフェンなど炭素材料は、次世代材料として大変期待されている。ナノダイヤモンドは、高性能な電子放出源として、期待されている。しかし、電子放出箇所、電流のパス、ドーピングの効果など、様々なことが理解されていないのが現状である。本研究課題では、インドのCVDで作製したナノダイヤモンド（UNCD）を我々の原子間力顕微鏡（AFM）装置へ入れ、それらにドーパントを導入し研究を行った。Pt原子をドープしたUNCDをAFM、走査型トンネル顕微鏡（STM）を用いて詳しく解析した。AFM測定によって、表面の凹凸情報を得ることができ、ナノダイヤモンドとPt粒子の存在を確認することができた。これは、共同研究先の台湾で行った透過型電子顕微鏡の結果と整合性のある結果であった。さらに、AFMと同時にSTM観察を行い、表面の電子放出サイトを同定することができた。具体的には、粒界において、より効率よく電子の放出が観測され、sp2様のグラファイト領域が、電子放出の源になっていることを確認することができた。さらに、AFMのエネルギー散逸のチャンネルによって、そのグラファイトの領域において、エネルギー散逸が小さくなることを観測した。この測定の際、探針と試料は比較的離れており、このエネルギー散逸は、ジュール熱による損失であるといえる。したがって、グラファイト領域において、他のナノ粒子の箇所に比べて電気抵抗が低いことが実験的に明らかとなった。この知見はこれまで得ることができなかった重要な知見であり、ナノダイヤモンドの粒子よりもむしろ、その間の領域である粒界が、電子放出だけではなく、電流の供給場所としても働いていることが明らかになった。

金刚石和石墨烯等碳材料作为下一代材料备受期待。纳米金刚石有望用作高性能电子发射源。然而，目前，诸如电子发射位置、电流路径和掺杂效应等各个方面尚不清楚。在本研究项目中，我们将印度CVD生产的纳米金刚石（UNCD）引入我们的原子力显微镜（AFM）设备中，并在其中引入掺杂剂并进行研究。使用 AFM 和扫描隧道显微镜 (STM) 详细分析了掺杂 Pt 原子的 UNCD。通过 AFM 测量，我们能够获得表面粗糙度信息并确认纳米金刚石和 Pt 颗粒的存在。这一结果与我们合作的台湾进行的透射电子显微镜结果一致。此外，通过与AFM同时进行STM观察，我们能够识别表面的电子发射位点。具体来说，在晶界处观察到更有效的电子发射，证实类sp2石墨区域是电子发射源。此外，我们观察到 AFM 能量耗散通道减少了石墨区域的能量耗散。在这次测量过程中，探头和样品距离比较远，这种能量耗散可以说是焦耳热造成的损失。因此，实验表明石墨区域的电阻低于其他纳米颗粒位置的电阻。这是迄今为止尚未获得的重要发现，它表明晶界（即它们之间的区域）而不是纳米金刚石颗粒，不仅起到电子发射的作用，而且还充当提供电流的地方。事情变得很清楚了。