理学部 物理学科 表面物理学教室
Surface Physics Laboratory
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■ 概要
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水素放出に及ぼすステンレス鋼の表面加工の効果
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電子励起脱離法（ＥＳＤ）は，表面分析法の一つであり，電子により表面と吸着原子間の結合を励起し吸着子を脱離させる方法である．走査電子ビームを使用することにより，吸着した水素の二次元のＥＳＤマッピングが可能である．本研究では，旋盤加工で平坦化したオーステナイトステンレス鋼薄板の背面を水素ガスに晒し，薄板を浸透・透過し表面に出現する水素の濃度分布を走査型電子顕微鏡により室温から300℃の温度範囲で観察した．ステンレス薄板の厚みは300μm、旋盤の引き目ピッチは40μｍ，深さは7-9μｍ，平均斜度は11度と32度，表面粗さは0.3μｍ以下だった．引き目には，楔形の刃形のため力が強くかかる面と弱い面があり，強くかかる面にはX線吸収分光法により酸素量が多いことが分かった．ESD像にはストライプパターンが観測された．パターンが出現する原因には場所により表面水素濃度が異なる以外に試料の面方位が局所的に異なるためイオン検出器の方向を向く面は明るく，ずれるにしたがって暗くなる表面形状の効果がある．この効果を補正すると，力が強くかかった面の水素濃度は高くなる。また、この2種類の面の水素濃度の温度依存性は異なっている．この表面水素の挙動はオーステナイトステンレス鋼を旋盤加工することにより生じたマルテンサイト転位の密度の違いが原因と考えられる．
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ステンレス表面上の透過水素の観察
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金属中の水素の挙動は，水素による金属材料の脆化，水素貯蔵及び超高真空材料の観点から重要な問題となっており，金属中での水素の挙動を直接的・定量的に観察し，水素の存在位置・含有量を明らかにすることが求められている．本研究では，低炭素オーステナイトステンレスであるSUS304Lに20％の冷間圧延を施すことによりオーステナイト相（グレインサイズ100～150μm）に加工誘起マルテンサイト相が混在する厚さ100μmの薄板を鏡面仕上げし試料として用いた．試料背面を水素に晒し，反対側の表面に浸透・透過する水素の表面濃度分布を，走査電子線を電子源とした電子衝撃脱離(Electron Stimulated Desorption;以下ESD)法により，ESDイオン像として二次元画像化し観察を行った．走査電子源として走査型電子顕微鏡を使用することにより，グレイン構造の観察には十分な空間分解能が得られるとともに，ESDイオン像と二次電子像観察によるグレイン構造を比較対照することによりグレイン構造と水素の透過チャンネルの関係を直接観察でき，金属中の水素の振る舞いを推察し解明することができる．現在，二次電子像による明確な表面グレイン構造が観察出来ないためESDイオン像との詳細な比較は出来ていないが，観察場所により表面水素濃度の温度依存性が異なっており，グレイン構造の違いを反映していると考えている．
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電界イオン顕微鏡によるタングステン(110)近傍の観察
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電解研磨により製作したWティップ先端を，自作電界イオン顕微鏡により観察した．映像ガスとしてHeとNeガスを使用し，ティップ印加電圧はそれぞれ，9.0～12.5kV，7.0～10.5kVで観察を行った．Heにより粒界のない(110)近傍のFIM像が観察され，(011)と(012)間の原子層数より，ティップ先端の極率半径は35nm，倍率は4.3×106と見積もられた．Neガスを使用した場合，Heガスと比較し低電圧(9kV)で(032)と考えられる高指数面の観察が可能であった．
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昇温脱離法による石英ガラスからの水脱離の観察
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水は石英ガラス内部に浸透して，H2O＋(≡SiOSi≡)⇄2(≡SiOH) の反応を引き起こし，化学的耐久性や力学的強度の減少や，光学的性質の変化といった影響を及ぼすことが知られている．本研究では，粉状石英ガラス(粒径～0.1mm)を試料とし昇温脱離法を用い水の吸着・吸蔵状態を観察した．観測温度範囲は室温から1200℃，昇温速度は10℃/minに設定し，四重極型質量分析計により水の昇温脱離スペクトル(TPDスペクトル)を測定した．あらかじめバックグラウンド(BG)スペクトルは測定し，その後，真空を破ることなくその場で試料をヒーター上に供給し，試料のTPDスペクトルからBGスペクトルを差し引くことにより試料のみのTPDスペクトルを得た．150℃，400℃，700℃で水の脱離ピークを観測し，1000℃以上で水の脱離が昇温と共に増加した．これらの脱離ピークはそれぞれ表面吸着水，結合水、水酸基に由来し，1000℃以上での上昇は熱膨張による歪みのためバルク内の水が脱離したと推測している．
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Ｘ線光電子分光法によるゲータイト(110)へのカドミウム吸着の観察
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重金属による土壌汚染は人体への悪影響から幅広く研究されてきた．その中でもCdはイタイイタイ病の原因物質として有名である．土壌物質表面における重金属の吸着機構の理解は汚染土壌の浄化のための基礎研究として重要である．本研究では土壌鉱物の一種であるゲータイト(α-FeOOH)に対しCdを真空蒸着し，X線光電子分光法(XPS)によりゲータイト表面とのCd化学結合状態の観察を行った．土壌を構成するゲータイトは通常1μm以下の粒子であるが, 本研究では天然に結晶成長した10 mm程度のゲータイトを使用する．このゲータイトを使用することにより，(110)面を多く含む面を露出させることができ，特定の面への吸着状態を観察することができる．ゲータイトの表面層はOとOHにより構成されており，Cdが化学結合する対象はOとOHであるため、O1sからの光電子ピークの形状を詳細に調べた．(110)表面上ではOとOHはともにｃ-軸方向に並ぶが、OHはテラスサイトを、Oはステップ，エッジ及びレッジサイトを形成する．[110]方向の周期性から，1周期分には2本のOH列と3本のO列が存在する．Cd蒸着前には，ゲータイトのOとOHの信号強度が3対2となり，OとOHの組成比と一致した．1.5ÅCd蒸着後，主にCdO成分が増加しステップサイトのO列に主に吸着したと考えられる．蒸着量を4.5、7.5Åと増加するとCdOとCd(OH)2成分が増加しその成分比は1対1に近づいた．また，ゲータイト由来のOとOH成分はCd被覆率が増加するため減少するがその成分比は3対2から1対1に近づいた．このことから吸着初期には主にステップサイトのO列に吸着し，その後(110)全面にほぼ均等に吸着するためOH、O成分ともに増加するがステップサイトのCdO上にもさらにCdが吸着するためステップサイトのOからの光電子が脱出できなくなりOとOHの信号強度の比率が1対1に近づくと考えられる．
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■ Keywords
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hydrogen permeation, stainless steel, goethite, Cd, adsorption, FIM, TPD
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■ 当該年度研究業績数一覧表
| 研究者名 |
刊行論文 |
著書 |
その他 |
学会発表 |
その他
発表 |
| 和文 | 英文 |
和文 | 英文 |
国内 | 国際 |
筆
頭 | 共
著 | 筆
頭 | 共
著 |
筆
頭 | 共
著 | 筆
頭 | 共
著 |
筆
頭 | 共
著 |
演
者 | 共
演 | 演
者 | 共
演 |
演
者 | 共
演 |
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高木 祥示
教授
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2
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| 計 |
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| 研究者名 |
刊行論文 |
著書 |
その他 |
学会発表 |
その他
発表 |
和
文 | 英
文 |
和
文 | 英
文 |
国
内 | 国
際 |
筆
頭 | 筆
頭
| 筆
頭 | 筆
頭
| 筆
頭 |
演
者 | 演
者
| 演
者 |
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高木 祥示
教授
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| 計 |
0 | 0 |
0 | 0 |
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( )：発表数中の特別講演、招請講演、宿題報告、会長講演、基調講演、受賞講演、教育講演(セミナー、レクチャーを含む)、シンポジウム、パネル(ラウンドテーブル)ディスカッション、ワークショップ、公開講座、講習会
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( )：発表数中の特別講演、招請講演、宿題報告、会長講演、基調講演、受賞講演、教育講演(セミナー、レクチャーを含む)、シンポジウム、パネル(ラウンドテーブル)ディスカッション、ワークショップ、公開講座、講習会
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■ 学会発表
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国内学会
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1.
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板倉明子, 村瀬義治, 鈴木真司, 髙木祥示, 後藤哲二：
電子衝撃脱離を用いたステンレスの透過水素観察.
日本表面科学会,
仙台, 日本,
2012/11
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2.
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鈴木真司, 髙木祥示, 後藤哲二, 村瀬義治, 土佐正弘, 板倉明子：
ステンレス表面上の透過水素分布の観察.
日本真空学会,
神戸, 日本,
2012/11
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