グラフェンの構造と機能物性の解明

点击翻译按钮获取中文摘要

ナノサイズのニッケル(Ni)島状膜表面におけるグラフェンの成長過程とその電子状態を明らかにすることを目指し、本研究ではまずHOPG表面のNi初期成長過程を走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて調べた。Niの蒸着は超高真空中で行い、基板温度、アニール温度、蒸着速度や蒸着量をパラメータとして実験を行った。Niの蒸着量が数モノレイヤー分に相当する量のとき、底面の直径が4～8nm,高さが約1.4nmのナノ粒子が分散して形成することがわかった。Niの格子定数はHOPGのものと近いが、HOPGの表面エネルギーが非常に小さいために二次元的な成長が抑制されたと考えられる。基板温度を室温に保持して蒸着を行うと、粒子サイズは蒸着量と蒸着速度に依存するが、基板温度が200K以下の低温では蒸着量と速度のどちらにも依存しなかった。また、ナノ粒子を150℃程度でアニールすると単結晶化した。トンネル分光の結果、Niナノ粒子はアニール条件によらず金属的な電子状態を示し、スペクトルにはフェルミ準位上にエネルギー幅の狭いディップが観察された。さらに、粒子の外周部だけがフェルミ準位より約0.14eV高いエネルギー位置に特異な電子状態を示すことも見出された。このようにして得られたナノ粒子はグラフェンの成長基板として適さないが、これほど小さい単結晶ナノ粒子が得られた報告例が無く、磁性や触媒の研究に応用できる可能性がある。その一例として、Niナノ粒子を酸素雰囲気に暴露することにより、Niナノ粒子の酸化を試みた。単結晶Niナノ粒子は六方晶状の結晶構造を示したのに対し、室温で酸化後のナノ粒子は球状に変化し、サイズも増加した。酸化したNiナノ粒子のトンネルスペクトルはその電子状態が金属的でないことを示した。また、高温(300℃以上)で酸素雰囲気に保持した場合、Niナノ粒子は酸化せず、HOPG表面を分解する触媒効果が確認された。このように単結晶ナノ粒子の作製法を確立できたことは、今後原子とバルクの中間の物性調査や新しい機能性を探索するために非常に意義があると思われる。