Ti系酸化物表面の原子・電子構造制御 [長塚]

Ti系酸化物表面の原子・電子構造制御
Naoki Nagatsuka, Keisuke Fukada, Kotaro Takeyasu
Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Fukutani laboratory
BACKGROUND and PURPOSE
光触媒・燃料電池などの反応
固体表面と分子の相互作用
酸化物表面の欠陥
＝固体表面と分子の相互作用
・電子状態変化
・エネルギー・角運動量の交換
・電子状態を変化
・分子との相互作用を促進
H2O
O2
物質
H2
C.B.
エネルギー
H2O
V.B.
O2
H2
e-
紫外光電子分光(UPS) HeⅠ：h=21.22 eV
電子衝撃脱離(ESD)
Ti 3d
UHVアニール
e-
O 2p
(1500 eV)
超高真空でサンプルを加熱し，
酸素欠陥を生成
酸素欠陥：酸素が欠けたサイト
・周囲への電子供与
・原子・分子の反応性を高める
Knotek-Feibelman model
Ti4+ - O2-
Ti4+ - O+
反発
M. L. Knotek, Surf. Sci. 101, 334 (1980).
TiO2 RESULT and PLAN
SrTiO3 (001)
Ti
 Rutile型最安定面
UHVアニール
 バンドギャップ内にEF下0.8eVに
新たなピーク
 Ti 3d軌道に電子をドープ
 最表面に酸素欠損ができやすい
 ピークは酸素欠陥と格子間Tiか
 酸素欠損のほかに格子間Tiが存在
らなる
 ブリッジサイトの酸素が欠損を作
りやすい
現在進行中
Anatase型TiO2(101)
UPS 装置図
UPSの原理
脱離
SrTiO3 RESULT and DISCUSSION
Rutile型TiO2(110)
o
固体表面に紫外線を照射し，光電効果により飛び出してくる
電子のエネルギー分布を測定
⇒物質の価電子状態
電子線照射による内殻正孔励起
⇒最表面の酸素欠を生成
Rutile型TiO2(110)
Anatase型TiO2(101)
SrTiO3 (001)
e-
目的：Ti系酸化物表面の原子構造を制御し，
その表面の電子状態を明らかにする
h+
EXPERIMENTAL
試料
H2
Ti系酸化物
（可視）光触媒，燃料電池材料，
酸化物デバイス
H+
Eg
O2
 アナターゼの最安定面
 バルクはRutileの方が安定だが
表面はAnataseの方が安定
 表面から1,2層下のサブサーフェイス
領域に酸素欠損ができやすい
 Rutile型より高い反応性
 酸素欠損が出来たときの表面の
電子状態が未解明
Rutileとの比較により反応性の違い
を明らかにする
CONCLUSIONS
ESD
 電子線照射によりEF下1.2eVに
新たなピーク
 Ti 3d軌道に電子をドープ
 LEEDパターンは存在
 ESD:1.8 x 10-18 cm2でVo飽和
 ESDにより伝導の底が
EFより深くなった．
 導伝性層の形成
O2曝露
 O2 曝露により元の電子状態に回復
• Vo + O2 → [Vo+ O22-] (300K)
• 吸着確率= 0.5
Vo: 1 x 10-14 cm-2
Surface electrons: 2 x 1014 cm-2
の範囲で制御
 金属ー半導体的状態をスイッチ
Email :[email protected]
 アニールや電子線照射により電子がTi3d軌道にドープされバンドギャップ内に新たな準位を形成
 物質によってアニールによる酸素欠損の生成のしやすさが異なる
 O2 曝露により元の電子状態に回復
URL : http://oflab.iis.u-tokyo.ac.jp
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