センター利用システムついて

分析計測センター技術職員　程内和範

　
　 本センターは、利用者に各分析機器の操作法、測定原理の講習を行い、利用者自身が個々の装置を重点使用する研究主体の方式をとることを基本方針としています。
 
１.利用時間
　平　日　　9：00〜17：00
　休館日　　土曜日、日曜日、祝日、
　　　　　　夏期、年末年始等（随時掲載）
 
２.時間外利用
　時間内の予約が取れない場合に限り、時間外利用を受け付けています。
　別途資格が必要です。
　詳細はセンター職員までお問い合わせ下さい。
 
３.センター機器の利用方法
下記2つの方法があります。（①または②）
 
　①教職員あるいは学生が直接操作して測定する方法
　　分析計測センター機器を直接操作するには、新規登録申込を行い、イン
　ストラクター登録者になることが必要です。インストラクター登録者とは、
　当該機器の機器講習を受け、操作方法を習得後、センターが行う実技・筆記
　試験に合格した者をいいます。（→４. 新規登録手順を参照）
　　機器の新規登録申込は、随時受け付けています。
 
　②センターに測定を依頼する方法（依頼分析）
　　依頼分析を希望する場合は、装置担当スタッフまでご相談下さい。
　　（継続しての装置利用を考えていない場合などが該当します）
４. 新規登録手順（インストラクター登録の手順）
　　新規登録申込（測定試料、講習日程などの聞き取り・打ち合わせ）
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　　機器講習1）（装置担当スタッフ等による操作法の講習）
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　　機器操作の練習・習熟
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　　技能認定試験2）（実技・筆記試験）
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　　インストラクター（利用者）として登録　（登録申請書の提出が必要）
 
　1）機器講習の受講方法は、下記二通りがあります。
　　・センター装置担当スタッフから受講
　　・所属研究室インストラクター登録者（当該装置）から受講
　2）技能認定試験（実技・筆記試験）の合格者は、インストラクターとして
　　登録されます。（担当スタッフからの講習受講者、および所属研究室インス
　　トラクター登録者からの講習受講者の両者とも技能認定試験が必須）
 
５.インストラクター登録者の機器利用
　　①機器利用予約を行う･･･センターホームページでオンライン予約をする。
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　　②機器を利用する
　　　・所定の装置利用申込書を、利用日に記入
　　　・機器利用中は、掲示板（事務室前方のホワイトボード）に掲示する
　　　・装置使用後、所定の場所（事務室のドアボックス）に提出する
 
６.オンライン予約
　オンライン予約を行うためには、インストラクター登録者になる事が必要です。インストラクター登録が完了した教職員・学生にはIDを発行します。
　詳細はセンタースタッフまでお問い合わせください。
 

運営スタッフ・装置リスト

研究紹介　～電子スピン共鳴法（ESR)でどんな研究ができるの？～

分析計測センター　助教　西川雅美

  

　ESRというのは、不対電子を検出することができます。また、その不対電子が存在する環境と特定することができるので、どの原子に不対電子があるのかを調べる事が可能です。原理を簡単に説明すると、電子スピンに磁場をかけると、磁場に平行または反平行にその磁気モーメントが配列することで、2つの状態に分かれます(図1:Zeeman分裂）。この2つの状態にはエネルギー差があるので、不対電子が存在する場合、このエネルギー差に相当するマイクロ波の吸収が起こります。このマイクロ波の吸収の有無で不対電子の存在が確認でき、不対電子の存在する環境によって、このエネルギー差の大きさは異なるために、吸収されるマイクロ波の波数から不対電子の環境を特定することができるのです。（実際のESRは、マイクロ波の波数を固定して、磁場を掃引するため、マイクロ波吸収が起きる磁場で、不対電子の環境を特定します。）この特性を生かして、ESRは、バイオ、有機化学、無機化学、物理化学・・・といった幅広い分野の研究に利用されています。今回は、ESRを用いて、光触媒の反応機構について解析した研究をご紹介します。
 

図１　Zeeman効果

　光触媒反応というのは、光触媒材料が光を吸収することで、正孔と電子を生成することに起因します。正孔は、酸化力を持っているので、悪臭・有害な有機物を無害なCO2に分解することができます。太陽光や室内灯さえあれば、光触媒反応が進行するため、エコな環境浄化材料として利用されています。代表的な光触媒はTiO2ですが、TiO2は紫外光にしか応答しないため、紫外光を含まない室内灯下では十分な環境浄化能力がありません。そこで、これまでTiO2に可視光応答性を持たせるための研究がなされてきました。その結果、3価のFeの酸化物クラスターをTiO2に表面に担持するだけで、高活性な可視光応答性が発現することが発見されました。では、なぜ、3価のFeを担持するだけで、可視光応答性が発現したのでしょうか。それを解明するには、光を当てたときに、電子と正孔がどのように移動するのかを調べる事が必要です。この電荷移動経路を調べる上でESRはとても有力なツールとなります。
　TiO2は、光を照射しない場合は、不対電子を有していないので、ESRシグナルは検出されません。光を照射すると、TiO2の価電子帯の電子が伝導帯に励起することで、励起電子と励起正孔が生成し、それぞれがトラップサイトに捕捉されて捕捉電子と捕捉正孔になります。捕捉電子と捕捉正孔は不対電子であり、それぞれ３価のTiとO-のESRシグナルとして検出することができます。そのため、これらのシグナルを観測することで、電子の励起過程を推測することができるのです。図2は、Feを担持したTiO2とFeを担持していないTiO2のESRスペクトルを示します。これらのTiO2は、いずれも暗所でも、暗所でも捕捉電子（3価のTi）に起因するESRシグナルが磁場3400G付近に検出されました。これはTiO2に酸素欠損があるためです。次に、Fe担持TiO2に波長500nm以上の可視光を照射すると、３価のTiに起因するシグナルは変化せず、磁場3350G付近にシグナルが観測されました。これは捕捉正孔（O-）に起因するシグナルであり、捕捉電子のシグナルが新たに観測されずに、捕捉正孔されたということは、TiO2の価電子帯の電子は伝導帯ではなく、別の所に励起していることを示しています。一方、Feを担持していないTiO2では、この捕捉正孔に起因するシグナルは観測されませんでした。波長500nmの光のエネルギーは、TiO2のバンドギャップエネルギーよりも小さいため、価電子帯－伝導帯間の励起が起こらないので、当然と言える結果です。そして、Fe担持TiO2にのみ捕捉正孔に起因するシグナルが観測されたことから、担持されたFeが電子の励起過程に関与していることが明白です。
 

図2 捕捉電子と捕捉正孔のESRスペクトル

図3 FeのESRスペクトル

それでは、次にTiO2に担持された3価のFeのESRスペクトルを見ていきます。図3に示すように、3価のFeは不対電子を有しているので、暗所でもESRシグナルが観測されました。この3価のFeに光を照射すると、このESRシグナルの強度が減少することがわかりました。これは、ESRに不活性な2価もしくは、4価のFeに還元もしくは酸化されていることを示唆します。では、どちらに方向に反応したのでしょうか。先のTiO2に生成した捕捉正孔のシグナルが観測された結果と併せて考えると、TiO2の価電子帯から担持されたFeに電子が励起され、その結果として、TiO 2 には捕捉正孔が生成し、3価のFeは電子を受け取り、2価に還元されたことが推測されました。このTiO2の価電子帯からFeへの電荷移動こそが可視光応答性の起源であることが明らかになりました(図4)。

             

図4 Fe担持TiO2の電荷移動経路

このように、光触媒の電荷励起過程を調べる上で、ESRは有力なツールとなります。光触媒以外でも、ESRは、不対電子が関係していれば、多くの場合、適用できますので、今後も様々な分野の研究に役立つでしょう。
 
 

利用者の声　～教職員から～

電気電子情報工学専攻　准教授　田中久仁彦

　

研究を進めていると，何千万円という高価な測定装置で分析をしたい場面が多々出てきます．しかし，なかなか一教員の力ではそういった装置を購入することができません．もし,身近にこういった装置を気軽に使わせてくれる知り合いがいない場合は，分析を外部機関に依頼することになります．ところが，研究というものは測定データを見て次の一手を考えて進めていくものですから，人任せの測定ではなかなか思うようなデータが得られません．また，外部機関の分析は料金が非常に高く，一試料数万～数十万円なんてこともあります．
　こんな時に頼りになるのが分析センターです．本学の分析センターには高価な測定装置が多くあります．そして，基本的には，分析センターのスタッフから使用法を学びながら自分で測定することになります．この「自分で測定する」ことができるのが非常に良いです．試料のどの部分を見るのか，どんな測定条件で測定したらよいのか，あるいはこの試料でこの結果が出たのならばあの試料も測りたい…などなど，研究では常に状況が変わりますが，自分で測定していれば対応することも可能となります（あれもこれも測りたくなって，ついつい利用料金がかさんでしまうのが難点なのですが…．それでも外部に依頼するよりははるかに安いです）．また，本学分析センターで素晴らしいと思うのはマニュアルです．分析センターで独自に装置使用マニュアルを作成しているのですが，その完成度が非常に高いです．場合によっては装置使用法の講習を受けなくてもマニュアルを見るだけで使えるのではないかと思うくらいです．慣れない装置を使うときの緊張感は皆さんもよく知っていると思いますが，このマニュアルがあればそれがかなり軽減されます．
　最後に，多くの装置の維持管理や初心者講習など分析センター専従スタッフは大変だと思いますが，今後も我々の研究のためにお力添えいただければと思います．
 
 

利用者の声　～学生から～

原子力システム安全工学専攻　Ｍ２　内田雄大

 

  私は原子力システム安全工学専攻に所属しており、核融合材料に関する研究を行っています。現在、タングステンへα線を照射した際の損傷を評価するために、センターにあるFIB、TEM装置を利用させていただいています。解析には依頼分析という形でFIB加工、TEM観察をお願いすることもできました。しかし、ナノスケールの加工・分析を行える専門技術を習得したいと考え、FIB装置を一人で操作できるよう講習を受けました。
　初めにFIB加工の作業を見た時は、その自由度の高さに驚きました。PCのディスプレイに表示されるタングステン試料の表面画像を適当に矩形選択すると、Gaイオンが照射され瞬く間にその領域がスパッタされていきます。試料にパターンを形成し、髪の毛の1/5の大きさ(20 micron)のブロックを切り出していきます。更に、切り出したブロックの厚さを1micron程度まで薄く加工します。簡便な操作で高精度の加工を行う様子を目前にし、これは面白そうだと心躍らせていたのを覚えています。
　一方で、実際に装置を操作してみるとその難しさを実感しました。タングステン試料の加工には既存のマニュアルに沿った加工工程が通用せず、初めは望むようなTEM画像を得られませんでした。しかし、担当教員が装置の使い方を丁寧に指導して下さったおかげで試料をTEMで観察できました。また、同じようにFIB装置を使用する学生と加工のコツなどを議論することでFIB加工技術を向上できました。今回得られた結果を用いて学会にて発表できそうです。
　初めてFIB装置を使用してから3ヶ月ほど経ちました。多い時は毎日のように実験装置を利用していた時期もありました。実験を行う度にマニュアルを見る回数も少なくなり、最近は１日かかっていた実験もスムーズに行えるようになってきました。今後も、継続して利用させていただけたらと考えています。貴重な実験装置を学生が使用できる場を与えてくださった分析計測センターの方々に感謝します。
 

Ｈ２７年度研究業績（H27.4～Ｈ28.3)
※センターに報告された研究業績のみ掲載。

博士論文・修士論文・卒業論文

 
学会発表

 
学術論文

 
Ｈ2７年度利用実績

利用研究室　34 研究室
装置利用回数　1203回