走査トンネル顕微鏡によるTiO_2(110)表面上の光反応微視過程のその場観察

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固体表面の光化学反応は、基礎的・応用的な観点から今日もっとも注目されている科学現象の一つである。本研究では、走査トンネル顕微鏡で熱反応過程を動的観察するとともに、光反応中の表面をその場観察することによって、これまで間接的にしか得られなかった金属酸化物表面の反応過程を原子レベルでとらえることに成功した。まず、二酸化チタン(TiO_2)の(110)表面を清浄化し、(1×1)清浄表面の原子像をはじめて観察した。得られた原子像がチタンあるいは酸素いづれに対応するものであるかを、ギ酸イオンの吸着を利用して判別した。次いで、顕微鏡ステージに紫外・可視励起光を入射して光照射下の表面反応をその場観察できる光学系を整備し、吸着ギ酸イオンの光分解反応のSTM観察に成功した。室温でギ酸イオンを飽和吸着させたTiO_2(110)表面に高圧水銀灯からの励起光(波長350-500nm)を15時間照射したところ、ギ酸イオンの面密度が照射前の1/3に減少した。ギ酸イオンがTiO_2基板に光励起されたホールを捕獲して二酸化炭素に分解したものと考えている。さらに20時間照射を続けた表面では、ギ酸イオンはほぼ完全に分解し基板表面のチタンイオン列が露出している様子が観察された。現在、光照射中のその場STM観察から、個々のギ酸イオンが反応する瞬間を捉えて活性な反応サイチを識別することを試みている。また、吸着サイトごとの反応特性を調べるために、基板を100Kまで冷却して光照射しギ酸イオンの熱拡散を抑えた条件で光反応を観察する実験を行っている。さらに、質量分析器による光反応生成物の定性・定量分析や励起光の波長依存性をあわせて検討し、固体表面の環境場が吸着分子の光反応におよぼす影響を原子スケールで明らかにする。