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グラファイトにドーピングされたPの電子構造; DVX$$alpha$$法によるP K端NEXAFSスペクトル解析

Electronic structures at phosphorus sites doped in graphite; Spectral analysis of P K-edge NEXAFS with DVX$$alpha$$ calculations

下山 巖; 馬場 祐治

Shimoyama, Iwao; Baba, Yuji

触媒として注目されているリンドープグラファイトに対しドーパントの効果を調べるため、吸収端近傍X線吸収微細構造(NEXAFS)分光法によりPサイトの電子構造を調べた。70$$^{circ}$$Cの高温ドーピングで作製した試料のP K端NEXAFSスペクトルにはグラファイト的な偏光依存性が観測され、リンサイトが平面構造をとることを明らかにした。配位数の異なる複数の平面リンサイトのモデルクラスターについてDVX$$alpha$$法による電子構造解析を行い、NEXAFSスペクトルと比較したところ、炭素3配位の平面構造を持つグラファイト構造のPサイトがNEXAFSスペクトルを最もよく再現することがわかった。一方、室温ドーピングと800$$^{circ}$$Cのアニーリングにより作製した試料では偏光依存性の低下が観測された。5員環を含んだ曲面構造のPサイトをもつモデルクラスターの電子構造計算により、NEXAFSの偏光依存性の低下とスペクトル形状の変化を説明できることがわかった。この結果はイオンドーピング時の温度によりリンサイトの局所構造を制御できることを示している。

We studied electronic structures at phosphorus sites doped in graphite to clarify the dopant effect on catalytic activity of P-doped graphite using near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy. A sample prepared by high-temperature doping at 700 $$^{circ}$$C showed graphite-like clear polarization dependence of P K-edge NEXAFS spectra indicating planar structure at phosphorus sites. We calculated electronic structures at phosphorus sites in carbon model clusters using the DV-X$$alpha$$ method and compare them with NEXAFS. The electronic structure at planar phosphorus site with three carbon coordination reproduced the NEXAFS spectra. On the other hand, samples prepared by room-temperature doping and post annealing at 800 $$^{circ}$$C showed deterioration of polarization dependence of NEXAFS. We clarified that an electronic structure of a curved carbon model cluster with a pentagon reproduced change of polarization dependence and spectral shape of NEXAFS. This means local structures at phosphorus sites can be controlled by substrate temperatures during ion dopings.

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