水素拡散における表面効果と量子効果の解明

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表面を介した水素の拡散は，水素吸蔵材料における水素の吸放出や，燃料電池電解質におけるプロトン移動など水素をエネルギーとして利用するプロセスの素過程として重要である．また低温では，水素の低質量に起因した量子効果が顕著になるため基礎的な観点からも興味が持たれる．本研究では，低エネルギーイオンビームと抵抗測定を組み合わせたQuench-Recovery(QR)法と共鳴核反応法（NRA）を活用することで，水素拡散の表面効果と量子効果の詳細を解明することを目的としている．本年度は，エネルギー可変イオンビーム源の導入と抵抗測定によるQR法を整備し，金属Pdにおける水素拡散の研究を行った．Pd中では水素が～50Kで秩序無秩序転移を起こし，その際抵抗に異常が現れることが知られている．この50K異常にQR法を適用し，水素のホッピング頻度の温度依存性の測定を行った．また第一原理計算によるポテンシャルを求め，そのポテンシャル上での水素の量子状態解析を行った．さらに，低速イオンビーム照射を行うことで，準安定構造が形成されることを見出し，この準安定構造が安定構造へ緩和することを確認した．QR法を用いて緩和の温度依存性，同位体依存性計測に着手した．また二酸化チタン表面における水素拡散をNRAと理論計算により調べた．二酸化チタンには結晶多型が存在し，典型的なものとしてルチル型とアナターゼ型が存在する．NRAにより，水素の深さ分布を計測することで，拡散係数の評価に成功した．