*

日本原子力研究開発機構
原子力科学研究部門 物質科学研究センター
放射光エネルギー材料研究ディビジョン

研究主幹

越 章隆

＊

数eVの高速分子
マクスウェル−
ボルツマン分布超熱(音速)
分子線分布

超熱分子ビーム で非加熱ドーピング

並進エネルギー

2021年9月2日
https://en.wikipedia.org/wiki/Shock_diamond

1

自己紹介
越 章隆 (Yoshigoe Akitaka)
日本原子力研究開発機構
原子力科学研究部門 物質科学研究センター
放射光エネルギー材料研究ディビジョン
研究主幹
リサーチマップ： https://researchmap.jp/researchmap_ay

専門：応用物理、表面科学、材料プロセス、放射光略歴
総合研究大学院大学 博士（理学）豊橋技術科学大学 助手(旧)日本原子力研究所入所 放射光利用研究部@1998
日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究部門

2

自己紹介

越 章隆 (Yoshigoe Akitaka)

吉越章隆、津田泰孝(PD)
表面実験ステーションにて
BL23SU@SPring-8

専門：応用物理、表面科学、材料プロセス、放射光内外の研究者と多くの共同研究(論文170報以上)
Jpn. J. Appl. Phys. Suppl. 38-1 (1999) 642.
Appl. Surf. Sci. 169-170 (2001) 738.

表面ステーション
BL23SU@SPring-8

応用に見る
気体分子と固体表面の化学反応の学理

気体

薄膜形成, 改質, 加工A

化学反応
固体B

マテリアルデザイン
合成、分解材料プロセスの学理(基礎研究)で社会に貢献！

3

社会的ニーズ： TiO2光触媒コーティングなど
TiO2粉末防汚など

保健・衛生
Wikipedia※1

電子材料

多数の市販品Surf. Sci. Rep. 63, 515 (2008).

東京工業大学提供, K. Sim et al. (2019),
https://doi.org/10.1063/1.5098871

多彩な応用、基礎研究の対象※1

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%85%B8%E5%8C%96%E3%83%81%E3%82%BF%E3%83%B3(IV) 4

社会的ニーズ：ウィズ/アフターコロナ

CDC(PHIL ID #23311@https://www.cdc.gov/media/subtopic/images.htm)

https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019/advice-for-public/myth-busters#virus

屋外(BandGap：3.4eV)
から室内(可視)利用へ！

 保健、衛生、医療分野のパラダイムシフト
 省エネ・エコ・クリーンな持続社会の実現
5

従来技術とその問題点

 TiO2は広く利用されているが、BandGap(3.4eV)、n型伝導性等の問題があり可視光領域での利用は困難

アナターゼ型TiO2(001)-(1×4)表面の欠陥

 表面欠陥(原子欠損) 、酸化状態[Ti2O, TiO, Ti2O3,NC-AFM像
吸着物と欠陥の観察

Ti3O5, TinO2n−1(n=4, 5, ‥, 10), TiO2]により性質変化

 加熱プロセスなどで欠陥除去などの制御は困難

マテリアルデザイン力でTiO2の弱点を克服！

6

新技術(超熱(音速)分子ビーム)の特徴
断熱膨張

Tn (ノズル温度)(300〜1400K)

Φ:0.1mm・混合比で並進エネルギーの制御

イオン注入
窒素
本技術
＆アニール
アニール

Φ:10mmv
・熱運動が並進エネルギーに変換

表：従来技術との比較

サンプル

1
C PTn = Mv 2 スキマー
2UHV(2×10-8 Pa)

触媒

非破壊〇×△××

時間

〇××〇

×

容易さ

〇

△〇××

髙桑雄二編著、X線光電子分光、講談社
5.10(吉越章隆)参照

 活性化反応 非加熱・非破壊プロセス
 ドープ元素はガス選択のみ
 ピンポイントプロセス
 ドーズ量制御が容易

窒素
プラズマ

SPM室
超音速分子線装置

反応室

放射光

ロードロッククリーニング室BL23SU(JAEA専用軟X線BL)SPring-87

新技術の特徴・従来技術との比較• 従来の熱反応では活性化エネルギー以下では反応が起きなかったが、超熱分子ビームを使うことによって反応を誘起、制御可能となった。
• 従来技術の問題点であった酸素欠陥などのダメージを起こさずに窒素ドープを実現した。
• 本技術により、狙った場所に狙った物を創成できるナノ領域の機能化処理技術の道が拓けた。
超音速気体流れ

存在確率

低温

高温

活性化

正反応の活性化障壁
反応側

逆反応の活性化障壁
反応熱

Shock diamondhttps://en.wikipedia.org/wiki/Shock_diamond0

運動エネルギー

生成側

8

実証データ : 超熱分子ビーム照射前後の分析
N1s
照射前
照射後窒素存在の証拠

窒素系ガス分子ビームによって窒化反応を誘起
9

実証データ : 分子線照射前後の表面構造
照射前

照射後電子線回折パターンが不変：表面構造を保持して窒素ドープ原子レベルのダメージレスプロセスを実現
10想定される用途• 熱反応などでは不可能な元素添加や材料欠陥抑制などの物質合成や機能化処理技術に適用することが本技術の特徴を生かす有力な方向の一つと考えられる。
• 光触媒への窒素ドープにより可視光応答性が付加されれば、コーティングの適用範囲を屋外から屋内に広げることができる。

• 達成された窒素ドープに着目すると、n型化する多くの機能性酸化物をp型化できる可能性があるので、例えば、ZnO深紫外LEDなどの幅広いデバイス開発が拓かれる。
11

実用化に向けた課題• 現在、基板や薄膜のTiO2への窒素系ガスの超熱分子ビーム照射によって表面近傍に窒素が入ることまでわかった。マクロ物性や機能などは今後の課題。
• 今後、照射する分子線の並進エネルギー、分子振動などの条件やガス種を変えて、窒素ドープ制御や欠陥抑制などの最適条件の探索を進めていく。
• 実用化に向けて、コーティング剤は粉体が多いため、粉体での窒素添加の検証とその可視光応答性の確認をする必要がある。
12

企業への期待• 粉体などの実触媒への窒素ドープは試料ホルダーの工夫によって実証可能。試料合成、光学特性や抗菌機能などの評価技術を有する企業との共同研究を希望。

• 試料作製、計測、医療など幅広い機器開発のチャンス。
機器開発に興味のある企業との共同研究を希望。

• 材料プロセス (化学制御、ドーパント制御、酸素欠損抑制など）あるいは放射光精密分析にお困りであれば本技術は一考の価値あり(ブレークスルー、セレンディピティ！)
事業化
現状

基礎

応用

技術開発・実証13

本技術に関する知的財産権
発明の名称：窒素元素ドープ酸化チタンの製造方法
出 願 番 号 ：特開2021-030159
出願人：大阪大学、日本原子力研究開発機構、発明者：阿部 真之、勝部 大樹、

横浜国立大学
大野 真也

越 章隆、

14

お問合せ先国立研究開発法人
日本原子力研究開発機構
研究連携成果展開部
https://tenkai.jaea.go.jp/

TEL：029-284-3420
e-mail ：seika.riyou@jaea.go.jp
15