陽電子ビームによるホウ素単原子シートの構造解析と機能性開拓

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本研究は近年注目を集めている二次元ホウ素(B)物質に着目し、多彩な構造をとるこれらホウ素物質群を、陽電子をプローブとする回折手法(全反射高速陽電子回折法、TRHEPD法)を用いることで未解明な構造を実験的に明らかにし、その機能特性(物性)への知見を得ることを目的としている。初年度から研究を続けているCu(111)基板上のホウ素物質について、TRHEPD法を用いて、その正しい構造が表面Cu原子とB原子と再構成を起こす銅とホウ素の化合物、Cu-Borideであることを示し、構造についての論争をおさめた。判明した構造はホウ素のジグザグな原子鎖と銅のジグザグ原子鎖が交互にならんだ特異な構造であった。さらにX線分光法(XPS)による同試料の化学状態の測定も行い、表面B原子が周りのCu原子から電子を供給されることを明かした。第一原理計算での結合軌道のシミュレーションにより、ホウ素原子鎖が炭素の原子鎖であるCumuleneと同様の電子状態をとることがわかった。XPSの結果と合わせると、同試料内でのホウ素原子鎖はホウ素が周りから電子をもらうことで炭素原子鎖と同様の電子状態をとり安定していることがわかり、新たなホウ素系の一次元物理を足掛けとなる大きな発見となった。さらに、この新たなホウ素と銅の表面化合物、特にその次元性に着目し、銅基板の種類を変えながら、研究を進めている。Cu(100)、Cu(110)基板、それぞれにおいてホウ素蒸着による試料合成には成功しており、各表面物質の解明への準備が進んでいる。特に、B/Cu(110)は報告例のない新たな秩序構造の発見となったため、Surf Sci. 732, 122282 (2023). にて先んじて報告している。どの試料もXPS測定の結果ではホウ素と銅の化合物の特徴を示しており、ホウ素と銅の表面化合物における、さらなる物理の探索が期待される。