分子線による表面反応新機構解明へのアプローチ

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現在、固体表面でおこる化学反応(表面反応)は、触媒化学工業、半導体産業など多くの分野において中心的な役割を果たしており、応用面からも表面反応を理解することがますます重要になってきている。表面反応が起こるプロセスにおいて、まず気体分子は外部から表面に近づき、表面に衝突し、そして吸着する。この表面における衝突過程が表面反応に大きな影響を持っており、表面反応機構を原子レベルで解明するためには、衝突の効果を考慮する必要がある。研究の目的は、表面反応新機構と考えられる衝突過程の効果を明らかにすることである。実験は、超音速分子線の技術を用いて並進・振動エネルギーを独立に制御した気体分子を試料表面に照射し、形成された表面吸着種や脱離生成物を観測する、という手順で行った。気体分子の運動エネルギーを制御するための分子線作製装置、表面吸着種の吸着状態を調べるための赤外分光装置、脱離生成物を検出するための質量分析計を用いた。あらかじめ水素を飽和量吸着させておいたニッケル表面にさらにCOを吸着した表面を作成し、そこにキセノン原子を照射するとCOの吸着位置の変化することがわかった。キセノン原子との衝突によりCOが得たエネルギーは、COの脱離、解離、振動励起など様々なプロセスを引き起こすために消費される可能性があるが、COの拡散に利用されたと考えられる。ただし、水素が吸着した表面ではCOは吸着位置が変わらないと考えられるので、キセノン原子との衝突でCOが水素原子を取り除いた上で拡散する、という複雑なプロセスが引き起こされていることがわかった。