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

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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。