Formation of fullerene-like structure by low-energy ion beam doping

低エネルギーイオンビームドーピングによるフラーレンライク構造の形成

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

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

炭素材料にヘテロ原子をドーピングして形成されるさまざまな炭素アロイは触媒や半導体材料などの応用が期待されている。しかし、ドーパント原子がとりうるさまざまな化学結合状態により構造解析は困難でドーピングと機能性との関連は十分明らかになっていない。そこでわれわれはBN共ドーピングしたグラファイトに対して吸収端近傍X線吸収微細構造(NEXAFS)の偏光依存性を調べ、ドーパント周囲の立体配置を調べた。低フルエンスで得られた試料のNEXAFSスペクトル中にはグラファイト的な大きな偏光依存性を示す*ピークと、それよりも小さい偏光依存性を持つ成分が観測された。この結果は歪んだ平面構造の立体配置を持つ局所構造の存在を示唆する。われわれは分子軌道計算を用いたクラスターの構造安定性の考察に基づいてグラファイトへのBNドーピングが5員環形成を誘起することを示し、この局所構造が5員環と6員環から形成されるフラーレンライク(FL)構造に起因することを提案する。また、FL構造とグラファイト構造の電子状態の比較から、FL構造の持つ反応性についても報告する。

Carbon alloys formed by B and N dopings is expected for some applications, e.g., catalyst and semiconductor. However, the relationship between doping and material properties is not clear enough because of complicated structures around dopant atoms due to various chemical conditions between ternary system of B, C, and N. We measured polarization dependence of near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) to investigate configuration of local structure around dopant atoms in BN co-doped graphite. B and N K-edge NEXAFS spectra showed graphite-like polarization dependence and some * peaks in the spectra showed different magnitude of polarization dependence. This indicates existence of local structures which have distorted planar configuration. We propose a fullerene-like structure for the distorted planar configuration based on comparison of structure stability calculated by a molecular orbital theory with model clusters.