【公開日：2023.07.28】【最終更新日：2023.05.14】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22HK0059
利用課題名 / Title
グラフェンナノサポートを利用した単原子制御
利用した実施機関 / Support Institute
北海道大学
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
グラフェン、単原子、単分子,電子顕微鏡/Electron microscopy,走査プローブ顕微鏡/Scanning probe microscopy,電子分光,CVD,スパッタリング/Sputtering,原子薄膜/ Atomic thin film,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
山崎 憲慈
所属名 / Affiliation
北海道大学大学院 工学研究院 応用物理学部門 ナノバイオ工学研究室
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
横山大聖,榊翔太
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
大多亮,平井直美
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
HK-101：ダブル球面収差補正走査透過型電子顕微鏡
HK-401：収差補正走査型透過電子顕微鏡
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
孤立した金属単原子の分散体は“単原子触媒”として次世代の触媒材料として注目が集まっている。申請者はこれまでにプラズマスパッタリングによるグラフェン表面への白金（Ｐｔ）単原子の分散手法を報告している。さらに、スパッタリング中に窒素を添加することで、単原子の形成率が向上することを報告している。本課題では白金の他に金の単原子スパッタリングと、スパッタリングされた単原子の加熱耐性を明らかにし、触媒材料としての安定性評価を行った。
実験 / Experimental
化学気相成長（CVD）装置によって単層グラフェンを銅箔上に作成後、PMMAなどのポリマーを使用しない方法によりTEMグリッドに転写した。その後、プラズマスパッタリングによって、Pt単原子の分散体をグラフェン表面に形成した。加熱前後のPt単原子分散状態を収差補正透過型電子顕微鏡（80kV、Titan Cubed G2 60-300, JEM-ARM200F）によって観察した。
結果と考察 / Results and Discussion
Fig.１にPt単原子分散体の加熱前後の走査透過型電子顕微鏡（STEM）像を示す。(a)は100℃で1時間アルゴン雰囲気加熱した場合で、Pt単原子はほとんど凝集しておらず、単原子状態を保っていることがわかった。(b)は同様の雰囲気で400℃1時間加熱した場合であるが、Pt単原子が凝集していることがわかった。結晶構造に由来する格子縞も観察された。一方で、TEMの加熱ホルダーを使用してサンプルの加熱を行った場合には、700℃程度の高温でもPtの凝集がほとんど起こらないという結果も得られた。Ptが単原子状態で分散している場合にはグラフェン表面に存在するナノグラフェンのステップエッジに吸着していることで、単原子状態を維持していることがわかっている[1]。STEM観察結果からはPt単原子の凝集は吸着サイトであるナノグラフェンの変形によって誘起されていることが推測されている。ナノグラフェンが変形しにくい条件下での観察ではTEMの加熱ホルダーを用いた1000℃程度の加熱後もほとんど凝集が起こらないことが確認された。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 STEM images of dispersed Pt single atom on graphene after heating treatment. (a) 100℃ (b) 400℃
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
[1] K. Yamazaki, et al., J. Phys. Chem. C. 122, (2018) 27292.
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Akio Suzuta, In Situ Observation of the Motion of Platinum and Gold Single Atoms on Graphene Using Aberration-Corrected Electron Microscopy, The Journal of Physical Chemistry C, 126, 12780-12789(2022).
DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c02356
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 山崎 憲慈,守屋 理, 杉本 崚 "グラフェン表面に形成したPt単原子分散体の原子分解能イメージング" 第58回応用物理学会北海道支部／第19回日本光学会北海道支部合同学術講演会, 令和5年1月7日
- 守屋 理, 山崎 憲慈 "グラフェン上に分散されたPt単原子、クラスターの加熱安定性" 第58回応用物理学会北海道支部／第19回日本光学会北海道支部合同学術講演会, 令和5年1月7日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件