グラファイトのエッジ表面に特有の電子状態を空間選択的に観測
東京大学物性研究所の梅山 裕史 大学院生（東京大学大学院理学系研究科化学専攻博士課程3年、株式会社ブリヂストン在籍）、吉信 淳 教授、尾崎 泰助 教授らは、理化学研究所の谷 峻太郎 理研ECL研究チームリーダー、高エネルギー加速器研究機構の小澤 健一 教授、東北大学の山本 達 教授らとの共同研究により、グラファイトの層の端にあたる「エッジ表面」を空間選択的に観測し、層の平坦な「基底面」には見られない、エッジ表面に特有の電子状態を明らかにしました。
グラファイトは、炭素原子が蜂の巣状に並んだ原子層が積み重なった物質です。このグラファイトの層構造は、電池電極、触媒担体、カーボンブラックなど幅広い炭素材料に見られる基本構造です。これらの材料において、エッジ表面は、電気伝導や化学反応を担う重要な場所と考えられてきました。しかし、通常の粉末や微結晶ではエッジ面と基底面が入り交じるため、エッジだけの電子状態を実験的に調べることは困難でした。
本研究では、理化学研究所において高配向性熱分解グラファイト（HOPG）を高真空中で超短パルスレーザーにより切断し、基底面に垂直なサブミリメートルサイズのエッジ面を作製しました（図１）。高エネルギー加速器研究機構フォトンファクトリーBL-13Bにおいて、数十マイクロメートルの微小領域に集光した放射光を用い、顕微X線光電子分光（micro XPS）と顕微X線吸収分光（micro XAS）によって、エッジ面と基底面を同じ条件で比較しました。さらに、物性研究所の顕微ラマン分光およびスーパーコンピュータを用いた密度汎関数理論（DFT）計算を組み合わせ、研究を行いました。
超短パルスレーザー加工によりHOPGのエッジ面を作製し、顕微X線光電子分光および顕微X線吸収分光によって空間選択的に観測した。
その結果、真空中で700℃に加熱したエッジ面では、基底面には見られないフェルミ準位近傍の電子状態密度の増大を観測しました。また、炭素の内殻電子（C 1s）光電子スペクトルの283.5 eVと炭素K吸収端スペクトルの284.5 eVに、エッジ特有の成分を見いだしました（図２）。理想化した水素終端エッジモデルによるDFT計算との比較から、観測されたエッジ特有の分光学的特徴には、水素で終端されたジグザグ状の局所構造が寄与している可能性が示されました。
(a)エッジ面では、基底面には見られないC 1sの低結合エネルギー成分（約283.5 eV）、(b)フェルミ準位近傍の電子状態密度の増大、(c)および炭素K吸収端の低エネルギー成分（約284.5 eV）が観測された。
本成果は、これまで基底面と分離して選択的に観測することが難しかった層状物質のエッジ面を、レーザー加工・顕微放射光分光・第一原理計算の融合により研究する枠組みを示すものです。カーボンブラックなどグラファイトのエッジを多く含む炭素材料や、炭素材料と電極との接合界面における電子状態、電気伝導、化学反応性を原子・電子レベルで理解する基盤になることが期待されます。
本成果は、炭素材料分野を代表する国際学術誌「Carbon」に2026年7月8日にオンライン掲載されました。なお、本研究に関連して、梅山 裕史氏は日本物理学会2026年春季大会で学生優秀発表賞（領域9：表面・界面、結晶成長）を受賞しています。
発表論文
- 雑誌名：Carbon
- 論文タイトル：Electronic states of graphite edge surfaces fabricated by ultrashort-pulse laser processing: Synchrotron micro X-ray photoelectron spectroscopy, micro X-ray absorption spectroscopy and density functional theory studies
- 著者： Hirobumi Umeyama, Shuntaro Tani, Fumihiko Ozaki, Wei-Chih Hsiao, Yoshiko Sakaguchi, Kozo Mukai, Takushi Iimori, Shunsuke Tanaka, Kenichi Ozawa, Susumu Yamamoto, Seokkyu An, Masahiro Fukuda, Taisuke Ozaki, Jun Yoshinobu
- DOI：10.1016/j.carbon.2026.121862