可視光応答性と強誘電性をもつ酸窒化物単結晶自立膜の開発と光触媒応用

具有可见光响应性和铁电性的自支撑氮氧化物单晶薄膜的开发及光催化应用

• 批准号: 21J11596
• 负责人: 若杉 択人
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J11596/
• 关键词: 酸窒化物; エピタキシャル薄膜; 水分解光電極; 自立膜; 強誘電体; 光励起キャリア輸送; ペロブスカイト; 層状ペロブスカイト

本研究では、層状ペロブスカイト型酸窒化物Ca3M2O5N2 (M = Ta, Nb)に着目した。なぜなら、（１）窒素の2p軌道が価電子帯の上端に形成されることで可視光応答性を持つ、（２）層状ペロブスカイトのM(O,N)6八面体の幾何学的な協奏的回転によって、強誘電性が安定する、（３）岩塩層(CaO)が自立膜作製のための剥離面として機能すると期待されるからである。本年度は、Ca3M2O5N2単結晶薄膜の単結晶基板上への作製を、窒素プラズマ支援パルスレーザー堆積法を用いて試みた。成膜プロセス中に薄膜表面からの反射電子回折(RHEED)の振動を監視することで、目的物の岩塩層とペロブスカイト層の膜厚を制御し、交互堆積を試みた。しかし、作製した薄膜からは目的物である層状構造由来のX線回折ピークは見られず、CaTaO2N等の単純なペロブスカイト構造由来の回折ピークのみが観測された。これより、単純なペロブスカイト構造がより安定相であるため、今回の実験条件では層状Ca3M2O5N2薄膜の作製は困難であることが判明した。一方、申請者は上記の研究と並行して、ペロブスカイト型酸窒化物CaTaO2Nの単結晶薄膜を光電極として用いて、エネルギー変換効率の向上に重要な要素である、光励起キャリアの輸送効率に影響を与える因子の調査を行った。薄膜の作製には、反応性R Fマグネトロンスパッタ法を用い、光励起キャリア輸送の評価は、正孔犠牲剤存在下での光電極測定による光電流値を指標とした。本研究により、ペロブスカイト型酸窒化物CaTaO2N単結晶薄膜において、高結晶性と化学量論組成は高キャリア輸送効率のための良い指標ではなく、Ca過剰であることがより重要であることが明らかになった。以上の単結晶薄膜をモデルとして用いて得られた知見は、ペロブスカイト型酸窒化物光触媒の効率向上のよりよい指針となりうる。

In this study, the structure of Ca 3M 2O 5N 2 (M = Ta, Nb) was studied. (1) The formation of 2p orbitals in the upper part of the electron band of the element,(2) the geometric coordination of M(O,N)6 octahedron in the layered structure,(3) the stability of the strong inductivity,(3) the formation of a self-supporting film in the rock layer (CaO), and (4) the function of the exfoliation surface. This year, Ca3M2O5N2 crystalline thin films were prepared on crystalline substrates, and the deposition method was tested. The vibration of reflective electron backscattering (RHEED) on the surface of the film is monitored, the thickness of the target layer is controlled, and the interaction is monitored. X-ray reflection of the origin of layered structures such as thin films and CaTaO2N It is difficult to fabricate layered Ca3M2O5N2 thin films under the condition of stable phase. On the other hand, the applicant has been studying and investigating the important factors affecting the transport efficiency of CaTaO2N single crystal thin films due to photoelectrode application and photoexcitation. Film fabrication process, reflective RF process, optical excitation process, transport process, photoelectrode measurement in the presence of a positive pore solvent In this study, CaTaO2N crystalline thin films with high crystallinity and chemical composition were studied. The above crystalline thin films are used for the purpose of improving the efficiency of photocatalysts.

项目成果

Installation of TOF-E telescope ERDA in UTTAC at the University of Tsukuba: Analysis of metal-nitride-based multi-layer coatings on glasses

在筑波大学 UTAC 中安装 TOF-E 望远镜 ERDA：分析玻璃上的金属氮化物基多层涂层

• DOI: 10.1016/j.nimb.2021.07.006
• 发表时间: 2021
• 期刊: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms
• 作者: Sugisawa Y.;Harayama I.;Takimoto Y.;Wakasugi T.;Hirose Y.;Hasegawa T.;Ishii S.;Sekiba D.
• 通讯作者: Sekiba D.

CaTaO2N単結晶薄膜光電極のキャリア輸送効率に影響を与える因子の探索とゼロバイアス水分解反応の実現

寻找影响CaTaO2N单晶薄膜光电极载流子传输效率的因素，实现零偏压水分解反应

• 发表时间: 2022
• 作者: 若杉 択人，廣瀬 靖，岡田 和也;長谷川 哲也
• 通讯作者: 長谷川 哲也

Heteroepitaxial Growth of a Ta3N5 Thin Film with Clear Anisotropic Optical Properties

具有清晰各向异性光学特性的 Ta3N5 薄膜的异质外延生长

• DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c03673
• 发表时间: 2021
• 期刊: The Journal of Physical Chemistry Letters
• 作者: Wang Yannan;Hirose Yasushi;Wakasugi Takuto;Masubuchi Yuji;Tsuchii Masato;Sugisawa Yuki;Sekiba Daiichiro;Chikamatsu Akira;Hasegawa Tetsuya
• 通讯作者: Hasegawa Tetsuya

Enhanced photocurrent in CaTaO2N epitaxial thin film photoanodes with off-stoichiometry and “poor” crystallinity

具有非化学计量和“差”结晶度的 CaTaO2N 外延薄膜光阳极的光电流增强

• 发表时间: 2021
• 作者: Takuto Wakasugi;Kazuya Okada;Yasushi Hirose and Tetsuya Hasegawa
• 通讯作者: Yasushi Hirose and Tetsuya Hasegawa