共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 低温アモルファスH2S固体における陽子空孔移動の解明
新規・継続の別 新規
研究代表者／所属 北大低温研
研究代表者／職名 博士研究員
研究代表者／氏名 北島謙生

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 中井陽一 理化学研究所仁科加速器科学研究センター 専任研究員

2

 渡部直樹 北大低温研

研究目的 我々は，最近，紫外線・電子線照射下で極低温のH2O氷中を定常的に負電荷が伝導するという氷の新たな電気的性質を発見し，その起源として，氷表面に生成したOH負イオンが氷内部の水分子から陽子を連鎖的に引き抜く陽子空孔移動のメカニズムを提唱した．この現象は，H2O氷と同様に，水素結合を持つ低温固体中で起こると予想され，H2S等の固体中であっても陽子空孔移動が誘起される可能性がある．そこで，本研究では，実験的に作成したH2S等の低温固体を用い，紫外線・電子線同時照射下でこれらの固体中に生じると予想される負電荷伝導の検証とそのメカニズムの考察を目的とした．
　　
研究内容・成果 10 Kの金属基板上にH2S薄膜固体を蒸着し，紫外線と電子線を照射した際に固体中を透過する電流値を測定した．紫外線の光源には，H2S分子をH原子とSHラジカルに解離させる193 nmのレーザーを用いた．一方で，固体表面に生成したSHの収量を，光刺激脱離法と共鳴多光子イオン化法を組み合わせた高感度ラジカル検出法（PSD-REMPI法）でモニターし，紫外線照射下において，電子線照射の有無によるSH収量の変動量を測定した．測定の結果，紫外線と電子線の同時照射下で，H2O氷と同様に，H2S固体中を定常的に負の電流が透過することが分かった．一方，H2S固体表面のSHラジカルの収量については，紫外線と電子線の同時照射によって，その値がただちに減少することが分かった．つまり，紫外線により固体表面で生成したSHラジカルは同時に照射された電子と反応し，固体表面でSH負イオンに変化し，H2S固体中の陽子空孔移動を誘起したものと考えられる．
　上記の検証に加え，H2Sと同様に水素結合を形成するNH3固体でも測定を行ってみたが，紫外線・電子線同時照射下で同様の負電荷伝導性を示した．この場合，NH2に付着した電子がNH2負イオンを生成し，NH3固体中の陽子空孔移動に関与したと考えられる．一方で，193 nmで分子の解離を起こさないH2O氷を用いた所，負電荷の透過は観測されなかった．やはり，固体表面でのラジカルの生成が負電荷伝導に重要な役割を担っていると言える．本研究により，水素結合を持つ極低温の固体中で陽子空孔移動が起こりうる新たな傍証が得られた．以上の成果について複数の国内外の学会で発表した．
　　
成果となる論文・学会発表等 [1] Kensei Kitajima， Yoichi Nakai， W. M. C. Sameera， Ayane Miyazaki， Masashi Tsuge， Hiroshi Hidaka， Akira Kouchi， Naoki Watanabe， "A new electrochemical property of ice: negative charge transport triggered by reactions of surface OH radicals with electrons"，　Workshop on interstellar matter 2021， 2021年11月
[2] 北島謙生，中井陽一，柘植雅士，日高宏，香内晃，渡部直樹，"極低温の氷とNH3，H2S固体の界面における負電荷移動機構"，原子衝突学会第46回年会，2021年10月
[3] Kensei Kitajima， Yoichi Nakai， Ayane Miyazaki， Masashi Tsuge， Hiroshi Hidaka， Akira Kouchi， Naoki Watanabe，"Verification of proton-hole transfer in ice at 10 K via detection of surface OH radicals"， 36th symposium on chemical kinetics and dynamics， 2021年6月