金属酸化物表面における化学反応の超高真空走査トンネル顕微鏡によるその場観察

使用超高真空扫描隧道显微镜原位观察金属氧化物表面的化学反应

基本信息

批准号：
07740541
负责人：
大西洋
金额：
$ 0.64万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1995
资助国家：
日本
起止时间：
1995 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

固体表面の化学反応は、基礎的・応用的な観点から今日もっとも注目されている化学現象の一つである。本研究では、走査トンネル顕微鏡で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、ルチル型二酸化チタン(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。さらに、真空アニールした清浄表面に生成するひも状構造が2本鎖からなるTi_2O_3部分酸化物であることを明らかにした。この2本鎖像の解釈については研究者間で見解が分かれていたが、ギ酸イオン吸着による表面サイトの化学的判別によってその構造が明らかにすることができた。そして、800Kに加熱したTiO_2(110)清浄表面に酸素分子を吹き付けながらトンネル顕微鏡観察をおこない、基板に収蔵された還元チタンイオンが酸素雰囲気によって酸化され2本鎖酸化物が生成する反応をその場観察した。従来、金属酸化物表面の反応性はもっぱら酸素イオンの欠陥構造と結びつけられてきたが、本研究によって非量論的に存在する微量の還元金属イオンが重要な役割を果していることが明らかになった。さらに、TiO_2(110)表面に蒸着したナトリウム原子と二酸化炭素との反応を観察し、特定の形状を持ったナトリウムアンサンブルだけが二酸化炭素と反応して炭素イオンを与えることを見いだした。このように、走査トンネル顕微鏡による連続その場観察によって、金属酸化物表面における吸着種の動的挙動を原子分解能で解明することができた。

从基本和应用的角度来看，固体表面上的化学反应是当今最流行的化学现象之一。在这项研究中，通过观察反应在与扫描隧道显微镜的原位观察表面，我们成功地捕获了金属氧化物表面的反应过程，金属氧化物的反应过程以前仅在原子水平上间接获得。首先，纯化金红石钛（TiO_2）的（110）表面，并首次观察（1×1）清洁表面的原子图像。确定获得的原子图像是否使用甲酸离子的吸附对应于钛或氧气。此外，揭示了在真空退火的清洁表面上形成的类似弦状结构是由双链Ti_2O_3组成的TI_2O_3的部分氧化物。研究人员对这种双链图像的解释有分歧，但是可以通过吸附甲酸离子的化学歧视表面位点来阐明其结构。然后，将氧分子喷涂到加热至800K的TIO_2（110）的清洁表面上，并通过氧气气氛氧化了储存在底物上的钛离子的反应，并观察到双链氧化物。通常，金属氧化物表面的反应性主要与氧离子的缺陷结构联系在一起，但是这项研究表明，痕量的非刺激性的痕量减少金属离子起着重要作用。此外，我们观察到沉积在TIO_2（110）和二氧化碳表面的钠原子之间的反应，发现只有具有特定形状的钠合奏与二氧化碳反应以给出碳离子。因此，使用扫描隧道显微镜进行连续的原位观察，可以通过原子分辨率阐明金属氧化物表面上吸附物种的动态行为。