[論文レビュー] Reversible switching of surface texture by hydrogen intercalation

Thomas Brugger, Huifang Ma+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2009

Graphene research and applications被引用数 55

ひとこと要約

本研究では、水素のイオン化を介した六方晶窒化ホウ素（h-BN）/Rh(111)における表面テクスチャの可逆的スイッチングを実証した。原子状の水素がh-BNとRh基板の間に挿入され、しわだらけの表面テクスチャが平坦化される。この状態はアニール処理によって完全に回復する。STM、TDS、DFT計算によりこのプロセスが確認され、しわの深さが5倍に減少し、表面双極子場がほぼ完全に抑制されることが示された。

ABSTRACT

The interaction of atomic hydrogen with a single layer of hexagonal boron nitride on rhodium leads to a removal of the h-BN surface corrugation. The process is reversible as the hydrogen may be expelled by annealing to about 500 K whereupon the texture on the nanometer scale is restored. This effect is traced back to hydrogen intercalation. It is expected to have implications for applications, like the storage of hydrogen, the peeling of sp2-hybridized layers from solid substrates or the control of the wetting angle, to name a few.

研究の動機と目的

• 単層h-BN/Rh(111)における原子状水素の曝露による表面テクスチャの可逆的修飾を調査すること。
• 水素イオン化がh-BN/Rh(111)系のしわの深さと電子構造に及ぼすメカニズムを特定すること。
• 熱アニール処理によるプロセスの可逆性を確認し、スイッチングに原子状水素（分子状H₂ではない）が関与することを立証すること。
• 実験的観察と第一原理的DFT計算を照合し、構造的および電子的変化の妥当性を検証すること。
• 2次元ファンデルワールスヘテロ構造における表面機能性、例えば分子捕集や濡れ性の制御に及ぼす影響を検討すること。

提案手法

• 走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、水素曝露後のh-BN/Rh(111)表面のトポグラフィーを観察し、しわだらけの状態から平坦な状態への遷移をモニタリングした。
• デューテリウム（D）を用いた熱脱離スペクトロスコピー（TDS）を用いて、イオン化された水素の定量的分析を行い、同位体効果の有無を確認した。これにより、分子状水素の関与が除外された。
• X線光電子分光法（XPS）と紫外光電子分光法（UPS）を用いて、それぞれの核心準位の結合エネルギーの変化と価電子帯構造の変化を分析した。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、h-BN/Rh(111)系全体（Rh原子567個、BNペア169組）をモデル化し、水素イオン化度を増加させた構造最適化を行い、幾何学的および電子的変化を予測した。
• DFTシミュレーションには、構造的リラクゼーション、電子状態密度（DOS）解析、および静電ポテンシャルマップを含め、しわの深さの低減と双極子場の抑制を定量的に評価した。
• 完全にイオン化された状態をモデル化するため、13×13 BNユニットのスーパーセルと、1 MLの水素原子を含む12×12 Rh(111)スラブを用い、水素原子がfccヘリカルサイトに位置していることを想定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子状水素のイオン化は、h-BN/Rh(111)のナノスケールの表面テクスチャを可逆的に変化させ得るか？
• RQ2 水素イオン化がh-BN/Rh(111)系の表面しわの深さをどのように低減させるかのメカニズムは何か？
• RQ3 水素イオン化は電子構造にどのような影響を及ぼすか、特にσバンドの分裂と双極子リングの形成にどう関与するか？
• RQ4 熱アニール処理によって表面テクスチャのスイッチングはどの程度可逆的か？また、イオン化水素の脱離温度は何か？
• RQ5 第一原理的DFT計算は、構造的および電子的変化の実験的観察を定量的に再現できるか？

主な発見

• STMおよびDFTの両方により確認されたように、h-BNとRh(111)の間に水素イオン化が行われると、表面しわの振幅が1.1 Åから0.2 Åにまで低下し、5倍の減少が確認された。
• 500 K程度のアニール処理により、しわだらけのナノメッシュテクスチャが完全に回復し、スイッチングプロセスの可逆性が確認された。
• 熱脱離スペクトロスコピー（TDS）の結果、デューテリウムは約500 Kで脱離することが示され、イオン化水素がこの温度まで安定であることが示された。
• DFT計算により、1 MLの水素イオン化が、静電ポテンシャルのしわの深さを480 meVから180 meVにまで90%の低減をもたらすことが確認された。
• XPSにおけるN 1sコアレベルの分裂とUPSにおけるσバンドの分裂が、イオン化後に消失したことで、分子捕集を引き起こす平面内双極子場が消失することが示された。
• DFTで最適化された構造では、水素原子がRh(111)表面から1.0 Å上にあるfccヘリカルサイトに位置しており、h-BN層の平均高さがRh(111)から2.9 Åから3.4 Åに上昇している。