Vibrational states of atomic hydrogen in bulk and nanocrystalline palladium studied by neutron spectroscopy

中性子分光法で調べたバルクおよびナノ結晶パラジウム中の水素原子の振動状態

古府 麻衣子   ; 橋本 直樹*; 秋葉 宙*; 小林 浩和*; 北川 宏*; 飯田 一樹*; 中村 充孝   ; 山室 修*

Kofu, Maiko; Hashimoto, Naoki*; Akiba, Hiroshi*; Kobayashi, Hirokazu*; Kitagawa, Hiroshi*; Iida, Kazuki*; Nakamura, Mitsutaka; Yamamuro, Osamu*

中性子分光法を用いて、バルク及びナノ結晶パラジウム中の水素原子の振動状態を、広いエネルギー領域(meV)について調べた。バルクのパラジウム水素化物では、水素の振動励起は量子調和振動子(QHO)で大まかに記述された。一方、直径8nmのナノ結晶パラジウム水素化物では、付加的な振動励起が80meV以上のエネルギー領域に観測された。この付加的な振動励起のエネルギーと強度はQHOでは説明できず、非調和性の強いトランペット型ポテンシャルにおける振動と記述された。この付加的な励起は、表面効果により安定化されたサブ表面(表面下2-3層)の正四面体サイトに配置された水素原子の振動だと考えられる。本研究は、金属ナノ粒子中の水素の振動を明瞭に検知した初めての実験的研究である。

The vibrational states of hydrogen atoms in bulk and nanocrystalline palladium were examined in a wide energy region meV using neutron spectroscopy. In bulk PdH, the vibrational excitations of H atoms were roughly reproduced by the quantum harmonic oscillator (QHO) model. In PdH nanocrystals with a diameter of 8 nm, however, additional vibrational excitations were found at energies above 80 meV. The energies and intensities of the additional states were not explained by QHO but reasonably described as vibrations in a highly anharmonic trumpet-like potential. The additional excitations are attributed to the vibrations of H atoms at tetrahedral sites in the subsurface region stabilized by surface effects. This is an experimental work which clearly detects hydrogen vibration metal nanoparticles.