Development of ultraslow, monochromatic, and mass-selected ion source toward measurement of hydrogen ion permeability of graphene

グラフェンの水素イオン透過能の評価に向けた、超低速,単色,質量選別イオン源の開発

寺澤 知潮   ; 福谷 克之; 保田 諭   ; 朝岡 秀人  

Terasawa, Tomoo; Fukutani, Katsuyuki; Yasuda, Satoshi; Asaoka, Hidehito

グラフェンは、気体に対しては完全な不透過膜であるが、水素イオンに対しては透過性を示す。水素イオンの透過には同位体効果があり、重陽子は陽子より遅くグラフェンを透過する。しかし、この同位体効果がどのようなメカニズムで生じるのか、また、その起源はまだ不明である。そこで、超低速・単色・質量選択的な水素イオンビームを用いたイオン源を開発し、グラフェンへの水素イオン透過機構を議論する戦略を提案した。イオン源に半球型モノクロメーターとウィーンフィルターを採用し、エネルギー分解能0.39eV、質量分解能1 atomic mass unitを達成した。エネルギー的に鋭いイオンビームにより、グラフェンの透過率を高精度に直接測定できることが期待される。

Graphene is a perfect impermeable membrane for gases but permeable to hydrogen ions. Hydrogen ion permeation shows the isotope effect, i.e., deuteron is slower than proton when permeating graphene. However, the permeation mechanism and the origin of the isotope effect are still unclear. Here, we propose a strategy to discuss the hydrogen ion permeation mechanism of graphene by developing an ion source with ultraslow, monochromatic, and mass-selected hydrogen ion beam. We employed a hemispherical monochromator and a Wien filter for the ion source to achieve the energy and mass resolutions of 0.39 eV and 1 atomic mass unit, respectively. The energetically sharp ion beam is expected to allow us to directly measure the permeability of graphene with high accuracy.