金属酸化物表面に吸着した反応中間体分子の高速STMによる個体識別観察

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本研究の目的は、金属酸化物に吸着した分子が表面を拡散しながら反応サイトにたどりつき生成物へ転換する過程を、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて吸着分子を個体識別しながらその場観察することである。化学反応を起こす活性点を特定して構造を定め、反応サイトに捉えられた中間体の配向を決定することができれば、酸化物表面における表面反応制御の指針を提示し、誘電体・透明電極・超伝導・絶縁体・触媒といった応用分野へ大きなインパクトを与えることが期待される。平成10〜11年度の業績は以下の通りである。1.吸着種位置の相関解析:現有STMの撮像速度は毎秒0.1画面程度であるため、連続撮像によって吸着分子を個体識別できない。このようなデータからでも吸着種相互の位置関係を抽出し、反応条件下でも分子間相互作用を統計的に評価するために、吸着種位置の空間相関解析法を開発した。本法を二酸化チタン(110)単結晶表面に吸着したギ酸イオンおよび酢酸イオンに適用し、その有効性を実証した。2.酸化物表面の酸性反応サイトの原子レベル観察:代表的な塩基性分子であるピリジン(C_5H_5N)をプローブとして吸着させた二酸化チタン(110)単結晶表面をSTM観察することによって、表面に混在する複数の酸性サイトの反応性を個別に評価することに成功した。ピリジン分子は、欠陥のない結晶表面には化学結合を伴わずに弱く吸着するが、単原子高さのステップ端に露出した配位不飽和な金属中心へはより強く吸着することを、リアルタイムSTM観察による表面移動度の評価から明らかにした。3.非接触型原子間力顕微鏡による酸素原子欠陥の観察:二酸化チタン表面の酸素原子欠陥は様々な化学反応の活性点であると考えられている。最表面酸素原子の有無に敏感な非接触型原子間力顕微鏡を用いて酸素原子欠陥を画像化することに世界で初めて成功した。