Structure determination of self-assembled monolayer on oxide surface by soft-X-ray standing wave

軟X線定在波法による酸化物表面の自己組織化単分子膜の構造決定

馬場 祐治  ; 成田 あゆみ; 関口 哲弘  ; 下山 巖   ; 平尾 法恵; 圓谷 志郎; 境 誠司

Baba, Yuji; Narita, Ayumi; Sekiguchi, Tetsuhiro; Shimoyama, Iwao; Hirao, Norie; Entani, Shiro; Sakai, Seiji

酸化物は、触媒,光触媒,吸着剤,デバイス基板など、さまざまな表面機能性材料として使われており、これらの研究開発においては、酸化物表面における原子や分子の構造や位置を正確に決定することが重要である。しかし酸化物の多くは絶縁体であり、ビームを使った手法では表面に電荷が蓄積するため、構造を決定することは難しい。そこで本研究では、表面電荷の蓄積が少ない軟X線をプローブとして用いたX線定在波法により、酸化物表面の原子,分子の構造解析を試みた。試料は、サファイア単結晶表面に吸着した有機アルキルリン酸分子(炭素数10個)を用いた。軟X線放射光を表面垂直方向から入射し、ブラッグ反射が起こるエネルギー付近で光電子強度の変動を解析することにより、リン原子,炭素原子の表面からの距離を求めた。その結果、リン原子は表面から0.11nmの距離に存在するのに対し、炭素原子は特定の距離を持たないことがわかった。この結果と、X線光電子分光法及びX線吸収端微細構造法の結果から、吸着した有機アルキルリン酸分子は、リン原子がサファイア表面直上に位置し、アルキル基が上に伸びた自己組織化膜を形成することが明らかになった。

We report on the first results for the geometrical determination of adsorbed atoms on an oxide by a soft-X-ray sanding wave method. The samples investigated were alkyl phosphonic acid (C10) adsorbed on a sapphire surface, which is one of the candidate systems for organic self-assembled monolayer (SAM) on oxides. The surface was irradiated by synchrotron soft X-rays from the surface normal. The intensity of photoelectrons was plotted as a function of the photon energy. We observed clear profiles of the photoelectron intensity due to the standing wave from the substrate. Compared with the simulation using the crystal parameters, it was found that the phosphorus atoms are located at 0.11 nm from the surface, while the constant height was not observed for carbon atoms. The results are in consistent with the results by XPS and NEXAFS; the molecules form SAM on the sapphire surface with phosphonic acids and alkyl chains are located at the upper side.