Development of electron microscopy for atomic-scale characterization of low-dimensional heterostructures

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本研究は、ナノチューブや原子膜など一次元や二次元のナノ物質の複合化によって作製される低次元ヘテロ構造を対象として、これらを構成する個々の原子を可視化すると同時に、その元素や電子状態を特定するための分析技術の確立を目的としている。具体的には、原子膜物質に生じた面内ヘテロ接合における局所的原子配置や、各層が異なる物質で構成された多層原子膜や多層ナノチューブなどのファンデルワールス（vdW）ヘテロ構造について、低加速（走査型）透過電子顕微鏡（(S)TEM）による原子レベル構造評価に取り組む。また高精度の電子エネルギー損失分光（EELS）分析により、低次元ヘテロ構造がもたらす電子特性や光特性などの物性変調のメカニズムの解明を目指す。実施初年度である令和四年度は、低加速STEM-EELSによる二次元ナノ物質のヘテロ構造の原子レベル構造評価に着手した。具体的には、層状構造を有する遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）の代表例である二硫化モリブデン（MoS2）を金属ポルフィリン分子で修飾した複合ナノ構造を対象として、ポルフィリン分子に担持された金属単原子（コバルト、鉄、マンガン）の可視化と元素識別に取り組んだ。これらのヘテロ構造体に担持された金属単原子は電気化学的酸素還元反応（ORR）における触媒として作用することが確認されたため、低加速STEM-EELSにより実際に観察された原子レベル構造に基づき、金属単原子の存在部位とその触媒特性との相関を検証した。