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ニュースリリース
令和５年１⽉２４⽇
国⽴⼤学法⼈千葉⼤学

⽬に⾒えない静電気を分⼦レベルで観測することに成功〜材料固有の帯電特性の解明へ前進〜■発表のポイント・絶縁体の表⾯に溜まっている静電気による電場を⾮接触・⾼感度で検出、可視化する計測技術の開発に成功
・表⾯電位計ではとらえられなかった微⼩領域の帯電を捉えてマッピングすることに成功
・材料の違いによる帯電のしやすさの違いや、帯電の起源を知る⼿掛かりに■概要
千葉⼤学⼤学院⼯学研究院の宮前孝⾏教授と⼤学院融合理⼯学府博⼠前期課程１年の井坂友⾹⽒の研究グ
ループは、表⾯の分⼦の状態を選択的に調べることのできる計測⼿法を⽤いて、絶縁体材料の表⾯に溜まっている静電気を⾮接触で⾼感度に検出・可視化する技術を開発しました。この⼿法は、従来の⼿法に⽐べて表⾯に存在する分⼦を選別することが可能であることから、材料の違いによる帯電のしやすさ、しにくさなどを⽰「帯電の起源」を知る⼿がかりを得る重要な⼿法となることが期待されます。
す「帯電列注 1）」の序列の原因や、これにより、⾼度化した電⼦デバイスや製品に対する帯電防⽌の有効性を調べることが出来るだけでなく、帯電を⾃在に制御することで防汚処理をはじめとして新たな技術開発を加速することに繋がります。
本研究成果は 2023 年 1 ⽉ 20 ⽇に応⽤物理学会速報誌 Applied Physics Express に掲載されました。
■研究の背景
冬場や乾燥した季節に我々の⾝近に起こる静電気は、誰しもが経験している電気現象の⼀つです。この静電気は、電⼦デバイスの破壊、フィルムの吸着、製品へのゴミ付着などのトラブルを引き起こし、あらゆる製品における⽣産性低下の原因の⼀つとなっています。特に半導体⽣産現場では、⾼絶縁材料の使⽤や、半導体回路の微細化・材料の複合化に伴い、静電気に関わる問題が顕在化してきています。これまで静電気を計測・可視化する⼿法としては、表⾯電位計や帯電トナーなどが広く⽤いられてきましたが、空間分解能に乏しかった
り、試料を汚染してしまうなどの問題がありました。しかも材料ごとの帯電度合いを⾒分けるのに必要な材料の識別性に乏しいという課題がありました。
研究グループでは、これまで材料表⾯や界⾯の分⼦の情報を選択的に計測・評価する⼿法として、和周波発⽣分光法（SFG 分光法）を⽤いた有機物界⾯の評価・解析技術の研究を進めてきました（図 1）。SFG 分光法は⾼強度のパルスレーザー光を使った分光法の⼀種で、⾚外光と可視光を同時に照射することで発⽣する SFG 光を検出します（図１上）。さらに SFG 分光法は、表⾯や固体内部の界⾯の分⼦の向きや反応などを詳しく調べることが出来ます。この SFG 分光法では、
図 1︓(上)SFG 分光装置の概略図。
(下)電界誘起 SFG の概念図。試料に電界が存在すると、試料に電界が存在する時には、その電界の強さにSFG 信号強度が増加する。
応じて得られる SFG の信号強度が増加する「電界誘起効果」と呼ばれる効果があることが知られています（図 1 下）
。研究チームはこれまでに、この電界誘起効果を⽤いることで、有機 EL や有機トランジスタなどの有機デバイスを駆動したときに、内部に存在する電荷の情報を⾼感度で選択的に調べることが可能になる計測技術を開発してきました。
■研究の成果本研究では、典型的な絶縁体試料であるポリプロピレンが帯電した際の表⾯について SFG 分光法を⽤いてその表⾯の分⼦の状態を調べました。その結果、ポリプロピレンを帯電させると、表⾯の SFG スペクトル強度が表⾯電位に応じて強くなっていく現象を観測することに成功しました（図 2）。電界誘起効果による SFG 信号増加は、有機デバイスや⽔溶液中での電極界⾯、電解質溶液界⾯などでは報告がありましたが、本研究では、静電気による電荷が作り出す電界によって電界誘起効果が⽣じることを世界で初めて⽰しました。
さらに、ポリメチルメタクリレート(PMMA・アクリル樹脂)の上に、有機薄膜としてステアリン酸アミドを薄く塗布した試料を⽤いて帯電による SFG スペクトルを調べてみると、帯電することによって、有機薄膜で覆われている内側の PMMA に由来する SFG の信号強度が増加していることが認められました（図 3）。これは、試料の帯電によって表⾯に存在する電荷に由来する電界が、有機薄膜に留まらず、下地となっている PMMA 試料の内部にまで広がっていることを⽰しています。
さらに、帯電による SFG 信号強度の増加を利⽤して、ポリプロピレンを部分的に帯電させた際の表⾯の状態について 2 次元マッピングすることに挑戦しました。ポリプロピレンの試料の⼀部をガラスで覆い、帯電させた後にガラスを取り除いてマッピングすると（図 4）、ガラスで覆われていなかった部分では SFG 信号が顕著に強くなっており、微⼩な領域（〜0.3 mm）での不均⼀な帯電を⾒分けることが出来ることを⽰すことが出来ました（図 4 右上）。またこの帯電した試料を⼀晩放置した後に再度測定したところ、表⾯電位では 0 V を⽰しているにも関わらず、SFG の⾯内マッピングイメージではわずかに帯電が残っていることが

図 2︓ポリプロピレン表⾯の SFG スペクトルの表⾯電位依存性。

図 3︓(上段)未帯電および帯電時の PMMA の SFGスペクトル。
(中段)ステアリン酸アミド薄膜の SFG スペクトル。
(下段)ステアリン酸アミド薄膜を塗布した PMMAの未帯電および帯電時の SFG スペクトル。

図 4︓(左)ポリプロピレン表⾯を部分的に帯電させたときの概要図。
(右上)部分的に帯電させたポリプロピレンの⾯内マッピング(6×6 mm2)。
(右下)右上の試料を⼀晩放置した後に測定した⾯内マッピング。

わかります（図 4 右下）。このことは、SFG 分光が表⾯にごくわずかに残っている静電気でもその影響を検出出来ることを⽰しています。
■今後の展望静電気による帯電は、古くから知られる電気現象であり、摩擦や接触、剥離などによって引き起こされます。
この静電気については、経験的に材料によって帯電しやすいものとしにくいものがあることを⽰した「帯電列」
として、18 世紀から知られていました。しかしながら、分⼦構造が類似している絶縁体でなぜ帯電しやすいものと帯電しにくいものがあるのか︖正に帯電しやすいものと負に帯電しやすいものがあるのはなぜか︖帯
電した際に表⾯の分⼦はどのような状態をとっているのか︖など、分⼦レベルの情報については現在に⾄るまで殆どわかっていませんでした。表⾯に存在する分⼦の構造や状態を⾼感度で調べることが出来る SFG 分光法を⽤いることで、⻑い間謎であった分⼦レベルでの帯電の起源や帯電列の序列の謎に迫ることが期待されます。このような観点から今後、材料の違いによる帯電特性の違いや、摩擦、接触帯電の起源、メカニズムに迫ることを⽬指します。
■⽤語解説
注１）帯電列︓プラス側に帯電しやすい材質を上位に、マイナスに帯電しやすいものを下位に並べた序列の表。離れた位置にある物質を組み合わせるほど帯電量は多くなる傾向がある。テフロンや塩化ビニル、ポリエチレンなどはマイナスに帯電しやすく、ガラス、ナイロン、レーヨンなどは逆にプラスに帯電しやすい傾向がある。
■研究プロジェクトについて
本研究の⼀部は、⽇本学術振興会の科学研究費助成事業（22H0204）の⽀援を受けて⾏われました。
■論⽂情報
タイトル: Electrostatic Charges and Their Distribution on the Charged Surfaces Probed by SumFrequency Generation Spectroscopy
著者: 井坂 友⾹ 1 , 宮前 孝⾏ 2,3,4
所属: 1 千葉⼤学⼤学院融合理⼯学府，2 千葉⼤学⼤学院⼯学研究院，3 千葉⼤学分⼦キラリティ研究セン
ター，4 千葉⼤学ソフト分⼦活性化研究センター
雑誌名: Applied Physics Express
DOI: https://doi.org/10.35848/1882-0786/acb1ec＜研究に関するお問い合わせ＞千葉⼤学⼤学院⼯学研究院 教授 宮前 孝⾏
TEL:043-290-3418 E-mail:t-miyamae@chiba-u.jp<広報に関するお問い合わせ>千葉⼤学広報室
TEL: 043-290-2018 メール︓koho-press@chiba-u.jp