ブックタイトル日本結晶学会誌Vol57No1

概要

日本結晶学会誌Vol57No1

日本結晶学会誌57，41-46（2015）特集マルチプローブ研究が拓く構造研究の新時代3．材料科学分野におけるマルチプローブ研究Rutile型TiO 2のナノ構造と物性－ポスト結晶構造解析北海道大学触媒化学研究センター有賀寛子，朝倉清高Hiroko ARIGA and Kiyotaka ASAKURA: Nanostructures and Properties of Rutile TiO 2Studied by Accelerator-based ProbesTiO 2 is used as catalyst materials. We have studied surface nanostructures of a rutile TiO 2single crystal by means of accelerator-based characterization methods such as synchrotron radiation,muon and positron. These nanostructures on the surface have no three dimensional long rangeorder.Wediscussthreetypicalmethodsusingpositron,muonandsynchrotronX-ray.Wepresentthe TiO 2（110）-（1×2）surface structures studied by RHEPD（Reflection High Energy PositronDiffraction）using positron which provides a surface first layer structure. Muon spin resonanceis another accelerator-based new technology which provides a defect structure and a hydrogenlocation. PTRF-XAFS（Polarization-dependent Total Reflection Fluorescence X-ray Absorption FineStructure）using synchrotron X-ray is a unique technique which provides a local structure for a highlydispersed metal species on oxide single crystal surfaces. These accelerator-based methods will be anew class of surface structures and properties.1．序Rutile型TiO 2TiO 2の化学組成で表される結晶は，アナターゼ，ルチル，ブルッカイトの三種類が知られている．一般に酸素欠陥が生じ，電子が余剰に生成し，n型半導体特性を示すといわれている．TiO 2の粉末は，高表面積をもつため金属微粒子の担体や紫外光を吸収して光触媒作用を示すなど，触媒材料としても注目されている．その表面構造や欠陥構造がTiO 2の触媒作用を大きく変える．例えば,大谷らは，TiO 2の構造を物理化学的に同定・分類し，各因子と活性や基質依存性との相関を報告している．1）しかし実際に触媒として使われる粉末TiO 2は，多結晶であり，表面構造を規定することが難しい．一方，rutile単結晶の（110）面は安定な表面を与え，古くから多くの研究がなされている．2）またrutile型のTiO 2（001）面は，特有の表面構造により，バンドギャップが狭くなり，可視光応答性を示すなど特異な表面状態が存在することが報告されている．3）筆者らはrutile型TiO 2表面の構造や性質を，加速器をベースとした量子ビーム（放射光，ミュオン，陽電子）により調べている．本稿では，それぞれの研究成果をまとめて，三次元並進対称性が破れた物質の構造解析を可能にする新しい量子ビームによるポスト構造解析手法（RHEPD法，ミュオンを用いた手法とPolarizationdependent total reflection fluorescence X-ray absorption finestructure（PTRF-XAFS））について述べたい．日本結晶学会誌第57巻第1号（2015）2．Rutile型TiO2の表面構造－陽電子による研究2.1 TiO 2（110）-（1×1）構造TiO 2（110）の1×1構造は最安定構造であり，構造，物性や化学特性などについて最も研究されてきた表面構造である．2）1×1構造のSTM画像と構造モデルを図1に示す．STM画像の解釈については，長い間議論されてきたが，現在では，サンプルバイアスがポジティブの条件下では，図1に示す［001］方向に並んで，表面に露出している5配位Tiが輝点として観察されていることがわかっている．4）1×1構造は，bulk終端位置をほぼ保った構造を維持しており，5配位Ti列とbridging O列が［001］方向に整列している（図1b）．イオン結晶表面は，一般的に無極性表面を形成することで安定化することが知られB図1TiO2（110）-（1×1）構造の（a）STM画像と（b）モデル構造．（TiO 2（110）-（1×1）structure（a）STM and（b）model strcutrue.）白丸：酸素，青丸：5配位Ti，黒丸：6配位Ti．A：Bridging oxygen．B：In-planeoxygen.編集部注：カラーの図はオンライン版を参照下さい．41