Defects in Solid Materials

Making a significant change in the whole by adding a small perturbation and creating an interesting new phenomenon plays an important role in the concept of the correlation between individual and collective matter.

The functions and physical properties of a solid, which is a group of atoms, are determined by the arrangement of atoms, but defects that disturb the arrangement can have large effects on the functions and physical properties. Metal oxides are typical material thereof, and their functions and physical properties are significantly affected by defects such as oxygen vacancies, adsorbates, and interstitial ions. However, there are many unclear points about the mechanism.

By using a technique such as scanning probe microscopy, these defects can be directly observed at the atomic level and their physical properties can be analyzed. So far, we have analyzed the electronic state created by defects on the surface of titanium dioxide, the interaction with metal clusters, the manipulation reaction of defects, and the reaction mechanism. Analysis under reaction conditions reveals the mechanism of more complex but strongly related phenomena in real space.

小さな摂動を加えることで全体に大きな変化を与え、興味深い新しい現象を生み出すことは、個と多の概念形成において重要な役割を果たす。

原子の集団である固体が持つ機能や物性は原子の配列によって定められるが、その配列を乱す欠陥が機能や物性に大きな影響を与えることがある。金属酸化物はその代表的な材料であり、酸素欠損、吸着原子、格子間元素などの欠陥によって、その機能や物性が大きく変化する。しかし、その機構については、不明な点が多い。

走査プローブ顕微鏡などの手法を用いると、これらの欠陥を原子レベルで直接観察し、その物性を解析することが出来る。これまで、二酸化チタン表面の欠陥が生み出す電子状態、金属クラスターとの相互作用、欠陥の操作反応、反応機構などを解析してきた。反応条件下での解析によって、より複雑であるが、実空間との関連が強い現象の機構を明らかにする。

Representative papers
触媒 62, 15 (2020).
ACS Nano 9, 6837 (2015).
Chem. Rec. 14, 923-934 (2014).
J. Chem. Phys. 130, 124502 (2009).