X線回折法による表面結晶構造解析

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作成： 1996/12/23 青木　康データ番号　　　：040048 X線回折法による表面結晶構造解析目的　　　　　　：X線回折法を利用した材料表面の原子構造分析放射線の種別　　：エックス線放射線源　　　　：X線発生装置(40keV,20mA,Cu K_αX線,0.1542nm),シンクロトロン放射光利用施設名　　　：Philips Pw 1390 diffractometer,European Synchrotron Radiation Facility,Grenoble,France.　地球環境産業技術研究機構照射条件　　　　：常温常圧、真空中応用分野　　　　：材料表面分析概要　　　　　　：　最近の表面・界面現象を応用した材料開発において、X線回折法は、他の表面分析法(たとえばSEM, TEM, AFMやXPS, AES, FTIR, レーザーラマン分光法など)と相補的に材料の表面原子構造(組成、結晶性等)の評価に用いられている。詳細説明　　　　：　最近の微粒子・薄膜材料の研究では、その微細構造決定のためにX線回折法が用いられている。たとえば、共沈・か焼法により調整したV-Ti酸化物固体粉末の微細構造がEDAX, FTIR, XPS, SEM, レーザーラマン分光等とともに、X線回折法(図1)を用いて解析されている。図1　X-ray diffraction spectra of VTiO samples: A, VT10; B, VT20; C, VT50; D, VT80; and E, VT90. (―) V₂O₅; (red line) TiO₂-rutile; (blue line) TiO₂-anatase; (ligh blue line) V₂O₅ or rutile; (violet line) V₂O₅ or anatase.（原論文1より引用。　Reproduced from J. Mater. Chem., Vol.5, No. 9, 1443 (1995), Laura E. et al., with permission from the Royal Society of Chemistry.）ここで、VとTiの含有比はV₂O₅/TiO₂換算で、VT10, VT20, VT50, VT80, VT90でそれぞれ90/9.9, 87/13.1, 57.6/42.4, 27.9/72.1, 14.2/85.8である。ここではX線回折法により、異なるV/Ti比で作製されたすべてのV-Ti固体がV₂O₅およびTiO₂(ルチル及びアナターゼ)から構成されていることが確認され、さらに、ルチルとアナターゼの相対量が決定されている。さらに、X線回折により決められた格子定数(a0 , c0)から算出したセル体積をスタンダードのルチル及びアナターゼの値と比較することにより、TiO₂(アナターゼ)構造の中に置換型Vの存在する固溶体構造が生成している証拠が得られ、この事はラマン分光の結果からも支持されている。さらに、FTIR・XPSの結果からV-Ti酸化物固体に特徴的な相として、この他V-richな相が粉末表面に存在することが示唆されている。　また、薄膜構造に関する研究では、ペロブスカイト薄膜のヘテロエピタキシャル成長・大面積単結晶の作製条件の探索のために、(001)SrTiO₃表面あるいは1.7°傾斜ミスカット(001)SrTiO₃表面上へ、化学量論比組成PbTiO₃粉末及びPb過剰に調整したPbTiO₃とPbO粉末混合物を用いてエピタキシャル温度以上の基板温度(600℃)でrfマグネトロンスパッタ法により作製した超薄膜の表面結晶状態をX線回折法で調べ、図2に示されるように、図2　XRD spectra of sputtered PbTiO₃ thin films : (a) 10nm thick on (001)SrTiO₃, (b) 100nm thick on (001)SrTiO₃, (c) 10nm thick on miscut (001)SrTiO₃, (d) 100nm thick on miscut (001)SrTiO₃.（原論文2より引用） SrTiO₃(001)表面上に蒸着したPbTiO₃薄膜がc軸配向した結晶性を示すことがわかり、さらにTEM・SADの観測結果とともに、ミスカット(001)SrTiO₃基板上のPbTiO₃薄膜が結晶粒界がなく、均質にラテラル成長し、基板と3軸配向していることを示して、大面積の単一単結晶PbTiO₃薄膜形成の可能性を示した。　一方、新しいX線源である高輝度・高指向性シンクロトロン放射光を用いた回折法は、結晶表面の全反射を利用した表面敏感な分析法であり、LEEDやRHEED等の電子線回折法に比べ多重散乱の効果を無視できるという特徴があり、解析が容易である事、またX線の透過力からもUHV環境を必要とせず、CVD法などによる薄膜成長中の表面のその場観測が可能となるなどの実験的な利点がある。この手法を用いて半導体材料関連の研究では、Ge (001) (2x1)表面再配列構造の研究やGe(111)面上へのGeエピタキシャル蒸着に関する研究等が行われている。コメント　　　　：　X線回折法は、さまざまな表面分析法の出現にもかかわらず、結晶性を問題とする材料の分析では、もっとも信頼のおける分析法の地位を保っている。さらに、最近のアンジュレーターやウィグラー等の装置を導入したシンクロトロンからの高輝度放射光の利用によってX線回折はもちろんのこと、光電子分光・定在波法やspeckle散乱等の表面・界面分析がさらに強化されて来る事が期待される。原論文１ Data source 1： Formation of a solid solution of vanadiumin TiO₂(Anatase) on vanadium-Titanium solids with high vanadium content. L.E.Briand, L.Cornaglia¹^*⁾, J.Guida²^*⁾, H.J.Thomas. Centro de Investigacion y Desarrollo en Procesos Cataliticos-CINDECA-UNLP, CONICET-47 No.257,(1900), La Plata, Argentina. 1*)Instituto de Investigaciones en Catalisis y Petroquimica-INCAPE-FIQ, UNL-CONICET-Santiago del Estero 2829-(3000) Santa Fe, Argentina. 2*)Programa QUINOR, Departamento de Ciencias Basicas (Universidad Nacional de Lujan) and Departamento de Quimica (Facultad de Ciencias Exactas), Universidad Nacional de La Plata, c.c. 962, (1900), La Plata, Argentina. J. Mater. Chem., Vol.5, No. 9, 1443 (1995). 原論文２ Data source 2： PbTiO₃スパッタ膜の微細構造佐藤　利文、和佐　清孝、羽根田　陽子、田畑　研二、足立　秀明^*⁾、市川　洋^*⁾、瀬恒　謙太郎^*⁾ (財) 地球環境産業技術研究機構〒619-02京都府相楽郡木津町木津川台9-2、*)松下電器産業(株)中央研究所〒619-02京都府相楽郡精華町光台3-4. 表面科学, Vol.16, No.7, 410 (1995). 原論文３ Data source 3： Application of synchrotron radiation to the atomic and electronic structure of semiconductors. M.Altarelli European synchrotron radiation facility, BP220, 38043 Grenoble Cedex, France. Acta Physica Polonica, A, Vol.87, No.1, 17 (1995). キーワード：X線回折、X-ray diffraction、シンクロトロン放射光、synchrotron radiation、表面分析、surface analysis、表面原子構造、surface atomic structure 分類コード：040105, 040501, 040502
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