2021S2-003
顕微軟X線分光による機能性材料の電子状態可視化と物性・反応との相関研究

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●基本情報
　●実験責任者：小澤　健一（KEK-IMSS-PF）
　●課題有効期間：2021/10〜2024/9
　●実験ステーション：13B, 3B
　●関連課題：2018S2-005（BL-13B光電子分光システムのマイクロ測定を目指した高度化と機能性材料の精密物性評価研究）
　　　　　　　2015S2-008（先端軟X線分光の融合による活性触媒の電子状態と反応活性に関する研究）
　　　　　　　2012S2-006（エネルギー変換材料の表面界面物性：VUV/SX放射光分光による研究）
　　　　　　　2009S2-007（有機分子−電極系の構造・電子状態と電荷移動ダイナミクス）

●課題の概要
　ミリからセンチメートルオーダーの金属や半導体の単結晶を用い，良く規定された表面で起こる様々な現象を評価する研究分野は「表面科学」として発展してきた。表面科学が大きく貢献したのは固体触媒の機能解明であり，分子吸着，反応素過程，生成物を表面科学の手法で逐一明らかにすることで達成された。一方，単結晶を使ったモデル材料と実材料の間にある「マテリアルギャップ」が大きな問題として提起された。このギャップは触媒にとどまらず多くの材料でも指摘され，これらの差を埋める研究が現在では盛んである。その一つが，顕微測定研究である。世界の3GeVクラスの放射光施設では，マイクロあるいはナノメートルサイズの集光光で顕微測定ができるビームラインが多く稼働するようになり，上記の問題解決に一役買っている。このような研究動向にキャッチアップし，かつ最先端の成果を出し続けるために，BL-13Bで顕微X線分光システムの構築を2018S2-005課題の下で進めた。
　本申請では，前課題を引き継ぐ形で①顕微測定システムを一般ユーザーが高度なレベルで使える状態に仕上げると同時に，②その性能を十分に生かした研究をBL-13Bのヘビーユーザーが展開し，③インパクトの強い研究成果をBL-13Bの活用事例として提示して新規の利用者を呼び込む起爆剤にする。先行課題では測定システムの高度化に軸足があったが，本課題では顕微測定研究へと重心を移す。具体的には，金属触媒，酸化物(光)触媒，有機太陽電池材料，有機半導体材料といった機能性材料表面のステップや結晶エッジ，結晶ドメイン境界，ヘテロ接合界面，原子・分子の不均一吸着といった構造的に不連続な局所領域における化学活性や電子状態を検証し，マクロスコピックな物性への影響を検証することで，機能発現機構を明らかにする。また，触媒表面における原子分子の拡散現象を捉えたり，サブミリメートルサイズの有機微結晶を用いた精密バンド構造解析も実施する。
　放射光を利用した顕微分光研究では，BL-28Aでも進められているマイクロARPESのように，試料表面の状態の良い場所で理想的な電子構造を決定するといった物理分野の物性研究が世界的に見ると多い。これに対して本課題では，触媒，光触媒，有機分子と言った化学に傾注した研究が多く，化学分野での顕微分光研究の先鞭をつけることを狙っている。

●成果発表
　●論文

• "Understanding of a Pt thin-film H₂ sensor under working conditions by AP-XPS and XAFS"
  Ryo Toyoshima, Takahisa Tanaka, Taro Kato, Hitoshi Abe, Ken Uchida, Hiroshi Kondoh
  Chem. Lett, 53 (2024) upad031.
• "Hydrogen-induced Sulfur Vacancies on the MoS₂ Basal Plane Studied by Ambient Pressure XPS and DFT Calculations"
  Fumihiko Ozaki, Shunsuke Tanaka, YoungHyun Choi, Wataru Osada, Kozo Mukai, Mitsuaki Kawamura, Masahiro Fukuda, Masafumi Horio, Takanori Koitaya, Susumu Yamamoto, Iwao Matsuda, Taisuke Ozaki, Jun Yoshinobu
  ChemPhysChem, 24 (2023) e202300477.
• "Electronic Structure of Orthorhombic Bi₄V₂O₁₁ and Role of Gap States in Photoelectrochemical Water Splitting"
  Jiaqi Liu, Kenichi Ozawa, Namiki Uezono, Sachin A. Pawar, Shugo Suzuki, Aboulaye Traoré, Muhammad Monirul Islam, Kazuhiko Mase, and Takeaki Sakurai
  J. Phys. Chem. C, 127 (2023) 11195.
• "Carbon Nitride Loaded with an Ultrafine, Monodisperse, Metallic Platinum-Cluster Cocatalyst for the Photocatalytic Hydrogen-Evolution Reaction"
  Daichi Yazaki, Tokuhisa Kawawaki, Daisuke Hirayama, Masanobu Kawachi, Kosaku Kato, Sota Oguchi, Yuichi Yamaguchi, Soichi Kikkawa, Yoshiya Ueki, Sakiat Hossain, D.J. Osborn, Fumihiko Ozaki, Shunsuke Tanaka, Jun Yoshinobu, Gregory F. Metha, Seiji Yamazoe, Akihiko Kudo, Akira Yamakata, Yuichi Negishi
  Small, 19 (2023) 2208287.
• "A wide-angle drivable and high-precision sample goniometer for angle-resolved photoemission spectroscopy"
  Yoshihiro Aiura, Kenichi Ozawa, Makoto Minohara
  Measurement, 217 (2023) 112866.
• "Crystalline phase control of BiVO₄ thin films using RF sputtering"
  Namiki Uezono, Jiaqi Liu, Sachin A. Pawar, Muhammad Monirul Islam, Shigeru Ikeda and Takeaki Sakurai
  Jpn. J. Appl. Phys., 62 (2023) SK1001.
• "SnO_x as Bottom Hole Extraction Layer and Top In Situ Protection Layer Yields over 14% Efficiency in Sn-Based Perovskite Solar Cells"
  Liang Wang, Mengmeng Chen, Shuzhang Yang, Namiki Uezono, Qingqing Miao, Gaurav Kapil, Ajay Kumar Baranwal, Yoshitaka Sanehira, Dandan Wang, Dong Liu, Tingli Ma, Kenichi Ozawa, Takeaki Sakurai, Zheng Zhang, Qing Shen, and Shuzi Hayase
  ACS Energy Lett., 7 (2022) 3703.
• "Substrate Effect of Ir and Rh on Surface ReO_x Species under a Hydrogen Atmosphere Studied by NAP-XPS"
  Jiatang Chen, Jumpei Kawai, Kosei Ozawa, Ryo Toyoshima, Keiichi Tomishige, and Hiroshi Kondoh
  J. Phys. Chem. C, 126 (2022) 11544.
• "Origin of the High Selectivity of the Pt–Rh Thin-Film H₂ Gas Sensor Studied by Operando Ambient-Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy at Working Conditions"
  Ryo Toyoshima, Takahisa Tanaka, Taro Kato, Ken Uchida, and Hiroshi Kondoh
  J. Phys. Chem. Lett., 13 (2022) 8546.
• "Materials Science Research by Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy Systems at Synchrotron Radiation Facilities in Japan: Applications in Energy, Catalysis, and Sensors"
  Susumu Yamamoto, Yasumasa Takagi, Takanori Koitaya, Ryo Toyoshima, Masafumi Horio, Iwao Matsuda, Hiroshi Kondoh, Toshihiko Yokoyama & Jun Yoshinobu
  Synchrotron Rad. News, 35 (2022) 19.
• "Functionalization of the MoS₂ basal plane for activation of molecular hydrogen by Pd deposition"
  Fumihiko Ozaki, Shunsuke Tanaka, Wataru Osada, Kozo Mukai, Masafumi Horio, Takanori Koitaya, Susumu Yamamoto, Iwao Matsuda, Jun Yoshinobu
  Appl. Surf. Sci., 593 (2022) 153313.