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保田 諭; 松島 永佳*; 原田 健児*; 谷井 理沙子*; 寺澤 知潮; 矢野 雅大; 朝岡 秀人; Gueriba, J. S.*; Di
o, W. A.*; 福谷 克之
ACS Nano, 16(9), p.14362 - 14369, 2022/09
被引用回数：1 パーセンタイル：0(Chemistry, Multidisciplinary)水素同位体である重水素は、半導体産業や医薬品開発に必須な材料であることから、重水素の高効率かつ低コストでの濃縮分離技術の開発は重要である。本研究では、グラフェンとパラジウム薄膜からなるヘテロ電極触媒を開発し、固体高分子形電気化学水素ポンピング法に適用することで高い分離能をもつ重水素濃縮デバイスの開発を行った研究について報告する。その結果、印加電圧が大きくなるにつれ分離能の指標となるH/D値が小さくなる明瞭な電位依存性が観察された。観察されたH/Dの電圧依存性について理論計算により検証した結果、印加電圧が小さい場合、水素イオンと重水素イオンがグラフェン膜透過の活性化障壁を量子トンネル効果により透過することで大きなH/D分離能が発現すること、印加電圧が大きくなると活性化障壁を乗り越えて反応が進行するためH/D値が減少することが示された。以上、グラフェンの水素同位体イオンの量子トンネル効果を利用することで高いH/D分離能を有する水素同位体分離デバイス創製の設計指針を得た。
川村 隆明*; 深谷 有喜; 福谷 克之
Surface Science, 722, p.122098_1 - 122098_8, 2022/08
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Chemistry, Physical)本研究では、多重散乱計算を用いて、Pd(100)表面上の水素の位置に敏感な反射高速電子回折(RHEED)条件を探査した。水素の散乱振幅はPdの7%以下でしかないため、水素の位置決定には、回折強度への水素からの散乱の寄与が最大化される条件を見出すことが重要となる。10keVの電子ビームでは、視射角が4
以下、方位角が[011]軸から1
3オフのときにそのような条件が見出された。この条件では、水素の表面垂直・平行の両方向の原子変位に対して顕著な強度変化を示す。RHEED波動関数の解析から、この条件下では低次の回折波が支配的であること、またRHEED電子は新しいタイプの共鳴現象により表面近傍に局在化することがわかった。この条件でのロッキング曲線解析を用いると、水素の高さを0.2
以下の精度で決定することが可能となる。この結果は、RHEEDがPd表面上の水素位置の決定に極めて有用な手法であることを示している。
寺澤 知潮; 福谷 克之; 保田 諭; 朝岡 秀人
e-Journal of Surface Science and Nanotechnology (Internet), 20(4), p.196 - 201, 2022/07
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。
小松 遊矢*; 清水 亮太*; 佐藤 龍平*; Wilde, M.*; 西尾 和記*; 片瀬 貴義*; 松村 大樹; 齋藤 寛之*; 宮内 雅浩*; Adelman, J. R.*; et al.
Chemistry of Materials, 34(8), p.3616 - 3623, 2022/04
被引用回数：3 パーセンタイル：84.73(Chemistry, Physical)Here, we demonstrate such a highly repeatable photoinduced insulator-to-metal transition in yttrium oxyhydride (YO
H
) epitaxial thin films. The temperature (
) dependence of the electrical resistivity (
) of the films transforms from insulating to metallic (
) under ultraviolet laser illumination. The sample is heated (125 C) under an Ar atmosphere to recover its original insulating state. The films recover their original metallic conductivity when subsequently subjected to ultraviolet laser illumination, showing repeatable photoinduced insulator-to-metal transition. First principles calculations show that the itinerant carriers originate from the variations in the charge states of the hydrogen atoms that occupy octahedral interstitial sites. This study indicates that tuning the site occupancy (octahedral/tetrahedral) of the hydrogen atoms exerts a significant effect on the photoresponse of metal hydrides.
オルト-パラ転換植田 寛和; 福谷 克之
Vacuum and Surface Science, 64(9), p.430 - 434, 2021/09
A unique molecularly chemisorption of H occurs on some stepped surfaces in addition to the typical adsorption schemes of physisorption and dissociation. In the present study, the rotational state and 
conversion of the molecularly chemisorbed H on Pd(210) at a surface temperature of 50 K were probed by combining a pulsed molecular beam, photo-stimulated desorption and resonance-enhanced multiphoton ionization techniques. We experimentally demonstrated that the 
conversion proceeds with a conversion time constant of 2s that is 2-3 orders of magnitude smaller than those reported for physisorption systems. The origins of such fast conversion and the rotational state distribution of H in molecular chemisorption state are discussed.
on Pd(210)植田 寛和; 笹川 裕矢*; Ivanov, D.*; 大野 哲*; 小倉 正平*; 福谷 克之
Physical Review B, 102(12), p.121407_1 - 121407_5, 2020/09
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Materials Science, Multidisciplinary)Pd(210)表面に化学吸着したHのオルトーパラ転換を報告する。分子線,光刺激脱離,共鳴多光子イオン化法を用いて水素の回転状態変化を調べた。実験結果から、~2秒の転換時間で転換が起こることが明らかになった。実験結果と過去の理論計算結果を比較することで、2次の摂動による転換メカニズムを支持する。
藤枝 信次*; 寺井 真之*; 西藤 哲史*; 戸田 昭夫*; 三浦 喜直*; Liu, Z.*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; Wilde, M.*; 福谷 克之*
ECS Transactions, 6(3), p.185 - 202, 2007/00
先端CMOSのバイアス温度不安定性に関する著者らの研究成果を招待講演で紹介する。25-nm SiOから1.8-nmプラズマ窒化SiON, 1.6-nm HfSiON high-k, 1.5-nm Ni-full-silicide/HfSiONまでというようにゲートスタックがスケーリングされるにつれ、負/正バイアス温度不安定性の原因として不純物,界面ストイキオメトリ,応力等の新しい化学的・物理的要因が現れてきたことを指摘する。
Wilde, M.*; 福谷 克之*; 盛谷 浩右; 吉越 章隆; 寺岡 有殿
no journal, ,
NiAl(100)表面酸化過程に見られる水素の影響をリアルタイムXPSを用いて調べた。酸素分子線及び水分子線を用いて表面を酸化し、膜厚が飽和した試料について酸化膜由来のAl
信号強度と基板由来のAl
信号強度の取り出し角依存性を測定した。その結果、水分子線を用いて酸化した試料の方がAl信号強度が強く、飽和酸化膜厚が厚いことがわかった。このことは、表面にOH基が形成されそれに基づく強い電場のために酸化が促進されるというモデルを支持すると考えられる。
深谷 有喜; 松田 巌*; 福谷 克之
no journal, ,
近年、その特異な物性への期待から、IV族単原子で構成された2次元原子シート物質に注目が集まっている。最近我々は、Al(111)基板上におけるゲルマネン(グラフェンのGe版)が予想に反して非対称なバックリング構造を持つことを明らかにした。今回新たに、Al(111)基板上ではシリセン(グラフェンのSi版)も作製できることがわかった。全反射高速陽電子回折を用いた構造解析から、Al(111)基板上のシリセンはゲルマネンの時と同様に非対称なバックリング構造を持つことが推測される。
深谷 有喜; 松田 巌*; 福谷 克之
no journal, ,
近年、その特異な物性の発現から、グラフェンに代表される2次元原子シート物質に興味が持たれている。最近我々は、Al(111)基板上のゲルマネン(グラフェンのGe版)が、理論的な予想に反して非対称なバックリング構造を持つことを報告した。今回、同じAl(111)基板上においてシリセン(グラフェンのSi版)も作製できることがわかった。本研究では、全反射高速陽電子回折(TRHEPD)を用いて、同じ基板上で作製されるシリセンとゲルマネンの構造の差異について報告する。Al(111)基板上のシリセンとゲルマネンから測定したロッキング曲線は、強度の違いはあるものの似通った形状を示した。このことから、両者は類似の構造を持つことが推測された。動力学的回折理論に基づく強度解析の結果、シリセンはゲルマネンと同様な非対称なバックリング構造を持つことがわかった。
深谷 有喜; Feng, B.*; 福谷 克之; 松田 巌*
no journal, ,
2次元物質として注目されるシリセンの電子状態の変調には、水素終端が有効な手段だと考えられている。最近、Ag(111)基板上のシリセンにおいて、均一かつ広いドメインでの水素終端化が報告された。しかし、その原子配置の詳細はわかっていない。そこで我々は全反射高速陽電子回折を用いて、水素終端シリセンの原子配置を決定した。結果として、水素原子の吸着によりシリセン自体も大きく原子変位することがわかった。
on Pd(210)植田 寛和; 笹川 裕矢*; Ivanov, D.*; 大野 哲*; 福谷 克之
no journal, ,
On a flat metal surface, hydrogen typically chemisorbs dissociatively. On the other hand, it is known that hydrogen can molecularly chemisorbs on stepped surfaces, such as Ni(510) and Pd(210), in which the potential is expected to be highly anharmonic, unlike the case of physisorption. The anisotropic potential would modify the rotational state of H and promote ortho-para (o-p) conversion. For the system of H/Pd(210), a previous study with rotational-state-selective temperature programmed desorption indicated the occurrence of fast o-p conversion. In this study, to further probe the rotational state and conversion of molecularly chemisorbed H, a combination of photo-stimulated desorption and resonance-enhanced multiphoton ionization techniques is used. It is found that photo-desorbed H consists of a variety of rotational states with an anisotropic angular distribution. Photo-desorption and o-p conversion process will be discussed.
on Pd(210)植田 寛和; 笹川 裕矢*; Ivanov, D.*; 大野 哲*; 小倉 正平*; 福谷 克之
no journal, ,
Imperfections of the surface, such as steps, are known to affect adsorption and reaction processes. While hydrogen typically chemisorbs dissociatively on a flat metal surface, it is known that hydrogen can molecularly chemisorb on stepped surfaces, such as Ni(510) and Pd(210), in which the potential is expected to be highly anisotropic, unlike the case of physisorption. The anisotropic potential would modify the rotational state of H and promote ortho-para (o-p) conversion. For the system of H/Pd(210), the conversion time of ~1 sec was predicted based on the measurement on rotational-state-selective thermal desorption of H (J=0 and J=1). The predicted value is indeed much shorter than those in previously reported physisorption systems. In this contribution, to further probe the rotational state and conversion of molecularly chemisorbed H, a combination of a pulsed molecular beam, photo-stimulated desorption and resonance-enhanced multiphoton ionization techniques is used. We will present the rotational state distribution of photo-desorbed H, and the o-p conversion process of molecularly chemisorbed H will be discussed.
植田 寛和; 笹川 裕矢*; Ivanov, D.*; 大野 哲*; 福谷 克之
no journal, ,
一般的に平坦な金属表面では水素分子は解離吸着をするが、Pd(210)表面のようなステップ構造をもつ表面では、解離吸着のほか、分子状化学吸着することが知られている。本研究では、分子線, 光刺激脱離レーザーおよび共鳴多光子イオン化法を用いて、Pd(210)表面に分子状化学吸着した水素の回転状態を調べる。発表では、得られた光脱離水素分子の回転状態から化学吸着した水素分子の核スピン転換について議論する予定である。
植田 寛和; 笹川 裕矢*; Ivanov, D.*; 大野 哲*; 小倉 正平*; 福谷 克之
no journal, ,
一般的に平坦な金属表面では水素分子は解離吸着をするが、Pd(210)表面のような特異的なステップ構造を有する表面では、解離吸着のほか、分子状化学吸着することが知られている。吸着水素分子のオルト-パラ転換を調べるために、今回新たに分子線, 光刺激脱離および共鳴多光子イオン化法を組み合わせた測定手法を確立した。本発表では、この実験手法を用いて測定したPd(210)表面でのHのオルト-パラ転換時間について報告する。
植田 寛和; 笹川 裕矢*; Ivanov, D.*; 大野 哲*; 小倉 正平*; 福谷 克之
no journal, ,
水素分子は、Pd(210)表面のように特有なステップ構造をもつ表面では、解離吸着のほか分子状化学吸着する。本研究では、分子線, 光刺激脱離および共鳴多光子イオン化法を用いて、Pd(210)表面に化学吸着した水素分子のオルト-パラ転換を調べた。決定された転換時間は過去に報告されている物理吸着系(数百-千秒)と比べて大変短い2秒程度であった。発表では、測定結果とともに速い転換の起源について議論する予定である。
植田 寛和; 笹川 裕矢*; Ivanov, D.*; 大野 哲*; 小倉 正平*; 福谷 克之
no journal, ,
表面温度50KでPd(210)表面に化学吸着した水素分子のオルト-パラ転換時間を測定した。実験の結果、転換時間は2秒程度であることが分かった。この時間は過去に2次摂動の転換モデルを基に見積もられた時間と同等であり、本研究はその転換モデルの正当性を支持する。
保田 諭; 松島 永佳*; 朝岡 秀人; 福谷 克之
no journal, ,
本研究では、パラジウム薄膜をグラフェン膜に蒸着したグラフェン-パラジウム電極を用いてグラフェンが水素同位体ガスの分離能に与える影響について検証した。グラフェンーパラジウム電極とPt/C電極からなる膜複合体を作製し、水素同位体ガスの分離能を評価した結果、パラジウム電極のみと比べ、グラフェンーパラジウム電極では水素同位体分離能が向上することが分かった。
保田 諭; 松島 永佳*; 朝岡 秀人; 福谷 克之*
no journal, ,
本研究では、パラジウム薄膜をグラフェン膜に蒸着したグラフェン-パラジウム電極触媒を用い、水素ポンピング法を適用することでグラフェンが水素同位体ガスの分離能に与える影響について検証した。グラフェン-パラジウム電極と白金微粒子の電極からなる膜複合体を作製し、水素ポンピング法により水素同位体ガスの分離能を評価した結果、パラジウム電極のみと比べ、グラフェン-パラジウム電極では水素同位体分離能が向上することが分かった。
ortho-para conversion植田 寛和; 福谷 克之
no journal, ,
H has two nuclear spin isomers, ortho-H (o-H) and para-H (p-H). Due to symmetry restriction, o-H and p-H with parallel and antiparallel proton spins have odd and even rotational states, respectively. Interconversion between these two species, ortho-to-para (o-p) conversion is of great interest not only from a fundamental point of view but also in industrial applications such as H liquification and storage. While the radiative o-p conversion is forbidden in the gas phase, the conversion is promoted on various surfaces. The o-p conversion is completed by the nuclear spin flip and the rotational energy transfer. The former process has been paid much attention in previous o-p conversion studies, but the detail of the latter one remains unclear. In this contribution, we deal with the o-p conversion of molecularly chemisorbed H on Pd(210). This system allows us to probe the o-p conversion at a wider range of surface temperature as compared with physisorption systems. A combination of a pulsed molecular beam, photo-stimulated desorption and resonance-enhanced multiphoton ionization techniques is used to probe time evolution of o-H and p-H populations. Figure 1 shows that o-p conversion occurs with a conversion time of about 2 sec at a surface temperature of 50 K. To obtain insight into a role of rotational energy transfer in o-p conversion, we further study the surface temperature dependence of o-p conversion and the reverse process of p-o back conversion. From the results obtained the conversion mechanism will be discussed.
