グラファイトへのB, Nドーピングによるフラーレンライク構造の形成

Formation of fullerene-like structures by B and N doping in graphite

下山 巖   ; Uddin, M. N.*; 馬場 祐治  ; 関口 哲弘  ; 永野 正光*

Shimoyama, Iwao; Uddin, M. N.*; Baba, Yuji; Sekiguchi, Tetsuhiro; Nagano, Masamitsu*

半金属のグラファイトと絶縁体の六方晶窒化ホウ素(h-BN)の中間の組成をとるハイブリッド構造(B-C-Nハイブリッド)は半導体的な性質を持ち、組成と原子配置に依存してさまざまな電子構造を持つことが理論的に報告されているが、これまでのところ生成物の構造は不明な点が多い。そこでわれわれは局所的な結合状態を明らかにするため吸収端近傍X線吸収微細構造(NEXAFS)分光法を用いた構造解析を行った。ボラジンをイオン化して得られるフラグメントイオンをグラファイトにイオン注入し、フルエンスを制御することでさまざまな組成のB-C-N薄膜を作成した。得られた薄膜のB及びN K端におけるNEXAFSスペクトルはフルエンスに依存して大きな変化を示し、低フルエンスで得られた試料には異なる偏光依存性を持つ複数のピークが観測された。この結果はB及びNサイトで歪んだ平面構造が形成されたことを示唆する。そこでわれわれは幾つかのモデルクラスターについて空準位の部分状態密度を分子軌道法を用いて計算し、NEXAFSスペクトルとの比較からこの歪んだ平面構造がフラーレンライク構造であることを提案する。

B-C-N hybrid has medium composition between semi-metallic graphite and insulating hexagonal boron nitride, and has been theoretically predicted that semiconducting property is obtained depending on composition and atomic arrangement. Since the structure of the products has not been clarified well, we used near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) to analyze local structure of B-C-N hybrid. Samples were prepared by ion beam deposition method with borazine gas as a precursor. B and N K-edges NEXAFS spectra were measured for some samples which had different compositions, and showed plural peaks which have different polarization dependences. This result suggests that distorted plane structures were formed at B and N sites. We calculated partial density of states (PDOS) for some model clusters by an ab initio molecular orbital calculation, and proposed that distorted plane structures consist of pentagons and hexagons which is termed as fullerene-like structure.