【研究領域課題番号】20K05244 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

遷移金属 / イリジウム / インジウム / 磁気ボトル型光電子分光法 / レーザー蒸発法 / MALDI質量分析法 / クラスター / 高分子安定化 / レーザーアブレーション / 光電子スペクトル / 量子化学計算 / 低配位数 / 配位不飽和

【研究成果の概要】

気相実験において，バルク状態とは異なる立方体型構造をとることが予測されたイリジウムクラスターの反応性を検討するに当たって，令和3年度は理論計算を用いてCO2の吸着による活性化の可能性を調べた。例えば，イリジウム8量体クラスター負イオンにおいては，立方体型異性体へのCO2の解離吸着（Ir8O(CO)-）と分子吸着（Ir8(CO2)-）の状態を比較すると，前者の方が安定であり，結合エネルギーは1.25 eV大きいことがわかった。このことから，立方体型のイリジウムクラスター負イオンによってCO2を活性化できる可能性が示唆された。
さらに，負イオンによるCO2活性化について調べるため，Au原子負イオンとの反応を調べた。CO2はAu(CO2)錯体中で物理吸着と化学吸着が共存した状態をとるが，計算レベルによって安定な異性体が異なっていた。そこで，真空チャンバ内の冷却部分を改良し，液体窒素の導入量を調整してクラスターソースの温度を制御可能とし，真空中で生成したAu(CO2)-の光電子スペクトルのピーク強度比の温度依存性から異性体の存在比の変化を見積もった。その結果，化学吸着体の方がより安定であることを明らかにした。また，異性体の存在比から異性化反応の平衡定数の温度依存性を見積もり，ファントホッフの式を用いて異性体間のエネルギー差およびCO2がAu-に化学反応吸着する際の結合エネルギーを見積もった。
一方で，インジウムもサイズによって面心立方構造とは異なる構造の系列をとることが理論計算から示唆されていることから，インジウムのクラスターの合成にも着手した。塩化インジウムをジメチルホルムアミド溶液中で水素化ホウ素ナトリウムを用いて還元することによって最終的に褐色のジクロロメタン溶液を得ることに成功した。これを乾燥させてX線光電子スペクトルを測定して，溶液にインジウムが含まれていることを確認した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】量子ビーム科学

【研究領域課題番号】16H03904 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

クラスタービーム / レーザーアブレーション / 飛行時間質量分析 / 金属クラスター / 共有結合クラスター / 飛行時間分析 / クラスタービーム波形 / クラスター / 衝撃波 / 分光計測 / 原子間力顕微鏡

【研究成果の概要】

高エネルギー加速器の候補クラスターイオン源の一つとしてレーザーアブレーションクラスター源を開発し、生成クラスターのサイズ分布とフラックス波形がクラスター形成条件にどのように依存するかを詳細に調べた。 レーザアブレーションによってシリコンまたはアルミニウムの蒸気を発生させ、高圧ヘリウムガスで急冷することによって、蒸気中の原子数に対して約0.1％の効率で約100個の構成原子を有するクラスターをレーザーパルス当たり1000億個以上生成できることを示した。 また，ヘリウムガス圧力とクラスター源の内部構造を変えることで、クラスターサイズ分布とフラックス波形をある程度制御できることを明らかにした。

【研究の社会的意義】

近年，加速可能なイオンの比電荷に原理的な制約がない誘導加速シンクロトロンが発明され，核子あたり1MeV以上の高エネルギーまでクラスターイオンを加速することが原理的に可能になった．この新技術により，巨大な分子であるクラスターイオンを固体物質の内部まで深く照射することが可能になれば，従来の単原子イオンビームによる材料改質やイオン注入，がん治療とは全く異なる放射線効果を基盤とした量子ビーム科学の新しいフロンティアが拓かれると期待されている．本研究は，レーザーアブレーション技術を用いたクラスター生成手法について幅広い動作条件のもとでその特性を調査し加速器用クラスター源としての成立性を明らかにした．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円)

【研究分野】化学工学一般

【研究領域課題番号】07555233 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

偏向型質量分析装置 / レーザーアブレーション / ナノパーティクル / クラスター / 電界偏向 / 一次粒子 / 質量分析装置 / レーザー蒸発法 / レーザー / 超微粒子 / 質量分析計 / 核生成

【研究成果の概要】

クラスターや超微粒子は、工業的材料として広く利用されており、用途の拡大が予測される。しかし、nmオーダーの粒子を測定する方法が確立していないため、超微粒子製造に際して重要となる生成機構については不明な点が多い。本研究では、nmオーダーの微粒子をin situに測定を目的とし、電界偏向型粒子質量分析装置の開発を行った。また、nmオーダーの微粒子生成法についても検討を行ない以下のような知見を得ることができた。
(1) 超微粒子源としてCuロッド100〜760Torrの条件でレーザーアブレーション法により生成したところ一次粒径5nmの超微粒子を得ることができた。質量換算50%の粒子はこの一次粒子径5nmの粒子が4個程度凝集した粒子であることがわかった
(2) 開発した偏向型粒子質量分析装置により、粒径5nmの粒子について質量分級を行なうことができ、その結果が電子顕微鏡により観察結果とイッチした。
(3) 偏向型粒子質量分析装置と電子顕微鏡による観察の結果、レーザーアブレーション法で生成する粒子の形状をもっとも大きく変化させたのはレーザー光の発振モードの違いであり、凝集の進み具合が大きく異なった。しかし、一次粒径については、雰囲気ガスの圧力変化やレーザー光の発振モードによる影響は見られなかった。
(4) レーザーアブレーション法での粒子生成によって、一次粒径が約2nmの非常に小さな粒子ができていることがわかった。この大きさは、これまでレーザーアブレーション法によって生成するとされてきた粒子の大きさの中ではもっとも小さいものである。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】4,600千円 (直接経費: 4,600千円)