表面科学

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表面科学(ひょうめんかがく、英語:surface science)は表面または界面を扱う自然科学の一分野のこと。理論実験両面から様々な研究が行われている。

概要[編集]

固体表面を構成する原子は、固体内部(バルク、英語:bulk)を構成する原子よりもはるかに数が少ないため、その影響は少ないだろうと見積もられていた。しかし19世紀後半、ポール・サバティエにより不均一触媒の表面が研究され、さらにアーヴィング・ラングミュアにより物質吸着の研究が進められた結果、固体が外部とエネルギーや物質をやり取りする場としての、表面の重要性が明らかになった。20世紀後半には、表面を原子・分子レベルで観察する手法が開発された。これを用いてゲルハルト・エルトルは表面での化学反応を詳細に研究し、「固体表面での化学過程の研究」の功績で2007年にノーベル化学賞を受賞している[1]

固体物理学ではx、y、z方向へに無限に続く完全結晶を理想的なモデルとして用いているため3方向の並進対称性を仮定できる。しかし、表面または界面がある場合、系の表面に垂直な方向での対称性が破れる。このため表面や界面に特有の現象、例えば電子の表面準位の発生や原子配列の表面再構成などが起こる。また外から飛来した分子は表面に物理吸着あるいは化学吸着する。特に不均一触媒の表面では、吸着した分子の状態が変化し、分子単独では持っていなかったような反応性を得ることもある。

主な研究対象[編集]

結晶表面は表面物理学の重要な対象である。結晶表面とは結晶をある方向にまっすぐな平面で切断した断面のことである。結晶をどのように切断するかはミラー指数[2]によって記述される。例えばSi結晶を「ミラー指数で(111)方向と記述される方向」にまっすぐな平面で切断した断面は、Si(111)面といわれる。

結晶表面は、バルクの対称性と切断面の方向などを元にしたベクトルを用いた初等的な考察に基づくと、2次元結晶になることが予想できる。このようにして考えられる(仮想的な)構造を持つ2次元結晶を理想表面という。つまり理想表面の構造は、バルクの対象性と切断面のミラー指数によって一意的に定まる構造のことである。例えばSi(111)、Si(100)は理想表面の同じSi結晶を切ったものであるにもかかわらず切断方向が異なるため異なる構造となる。逆にSi(100)、Si(001)は切断方向が異なるが、バルクの対称性(ダイヤモンド型)から等価、つまり区別することが不可能である。

実際Si(111)面などの現実の結晶も2次元結晶となっていることが、低速電子回折法 (LEED) 、走査型トンネル顕微鏡 (STM) 、原子間力顕微鏡 (AFM) による測定から明らかになっている。このように現実の結晶表面もまた確かに2次元結晶になっているが、実際には結晶表面のベクトルを用いた初等的な考察にから予想される構造とは異なる2次元結晶の構造となることが多数報告されている。

一般に、結晶表面の現実の構造を表す格子ベクトルを理想表面の格子ベクトルで表したときにどのように表すかを表す行列を用いて結晶表面の構造を表すことができるが、それを簡略化したウッドの記法[2]に基づいて「Si(111)-(7×7)」のように表面の構造を表すことが多い。

主な研究手段[編集]

表面科学の実験にはいくつか原理的に避けがたい課題がある。表面の原子はバルクの原子よりも圧倒的に少ないため、通常の分析手法では表面の信号はバルクの信号に埋もれてしまう[3]。したがって表面の分析を行うためには、表面の信号だけを選択的に測定できるような手法を用いる必要がある。また大気圧下では、気体分子が表面に衝突、吸着、脱離を繰り返しているため、分析対象である表面の状態が測定中にも絶え間なく変化してしまう[3]。そのため実験はしばしば超高真空下で、気体分子の量や種類をコントロールして行われる。

固体表面の構造を分析するために、走査型トンネル顕微鏡[4]原子間力顕微鏡[5]電子回折[6]X線回折透過型電子顕微鏡[7]走査型電子顕微鏡などが用いられる。また組成を分析するために光電子分光オージェ電子分光などが用いられる[8]。吸着分子の分析には、上記の方法に加えてケルビンプローブによる仕事関数の測定や各種の振動分光、脱離した分子の質量分析などが行われる。

理論面からの研究にも表面科学に特有の課題がある。表面系のバンド計算構造最適化では、バルクにも用いられる第一原理計算パッケージが流用される。こういったパッケージでは、実空間法などの例外を除いて、x、y、z方向への周期性が計算の前提となっている。しかし表面では法線方向への周期性が崩れているため、そのままでは計算ができない。そのため、表面のある固体を交互に並んだ原子層と真空層で近似して、法線方向の周期性をモデル系に持たせる近似がよく用いられる(スラブ近似)[9]。また表面-分子系を解析するために、巨大なクラスターの端面として表面をモデル化する場合もある(クラスター模型)[10]

最近の研究動向[編集]

最近では、ナノテクノロジーブームから、ナノ材料と言われる機能材料の開発に力点がシフトしている。例えば、スピントロニクスや、新しい触媒等の開発を目的に掲げているケースが多い。

そのほか、MOSFET用の絶縁体の開発に関係して、絶縁体表面の研究も盛んである。特にシリコン表面にハフニウム酸化物を薄膜として生成させた系は、誘電率の高いゲート絶縁膜として盛んに研究されている。こうした絶縁膜はhigh-k絶縁膜とも呼ばれ、半導体メーカー各社が熾烈な開発競争を展開している。ハフニウムを用いたhigh-k絶縁膜は、従来のシリコン絶縁膜よりも大幅なトンネル電流の削減に成功しており、これを用いた半導体チップも製造されている。

参考文献[編集]

  1. ^ “The Nobel Prize in Chemistry 2007” (プレスリリース), Royal Swedish Academy of Sciences, (2007年10月10日), http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2007/press.html 
  2. ^ a b 川合真紀・堂免一成 『表面科学・触媒科学への展開』 (岡崎廉治 他編 『岩波講座現代化学への入門』 14巻) 岩波書店、2003年。
  3. ^ a b Zangwill, Andrew (1988). Physics at surfaces. New York, NY, USA: Cambridge University Press. p. 20. ISBN 0521347521. 
  4. ^ Hasegawa, Y.; Ph. Avouris (December 1992). “Manipulation of the Reconstruction of the Au(111) Surface with the STM”. Science 258 (5089): 1763-1765. doi:10.1126/science.258.5089.1763. 
  5. ^ 森田, 清三、et al.「原子間力顕微鏡によるSiとGe表面での原子操作」、『表面科学』第26巻第6号、2005年、 351-356頁。
  6. ^ NOONAN, J. R.; H. L. DAVIS (October 1986). “Atomic Arrangements at Metal Surfaces”. Science 17: 310-316. doi:10.1126/science.234.4774.310. 
  7. ^ Yu, Qingkai; et al. (May 2011). “Control and characterization of individual grains and grain boundaries in graphene grown by chemical vapour deposition”. NATURE MATERIALS 10: 443-449. doi:10.1038/nmat3010. 
  8. ^ Rodriguez, Jose A.; D. Wayne Goodman (August 1992). “The Nature of the Metal-Metal Bond in Bimetallic Surfaces”. Science 14: 897-903. doi:10.1126/science.257.5072.897. 
  9. ^ 小林 一昭「(第一原理)バンド計算と実験との距離」、『表面科学』第28巻第3号、2007年、 129-134頁。
  10. ^ 中井 浩巳「表面-分子相互作用系の量子化学計算に関する最近の動向」、『表面科学』第28巻第3号、2007年、 150-159頁。

関連項目[編集]