摩擦帯電メカニズムの解明に向けたポリエチレンモデル化合物のギャップ内準位の直接観測

摘要

絶縁性高分子材料の摩擦帯電現象は我々の生活において静電気などとして見られ、なじみが深く、電子写真などにも応用されている。また、例えば、空気輸送で帯電防止処理をする等、工業的観点からも重要である。ところが、摩擦帯電の基本的なメカニズムは議論が収束しておらず、様々なモデルが提案されている。提案されているモデルは、大きく「物質·イオン移動モデル」と「電子移動モデル」の2種類に分けられる[1]。前者は、接触、摩擦によって帯電した物質やイオンが移動することで帯電するというモデルである[2]。一方、電子移動モデルは電子が物質間で移動することで帯電するというモデルである。絶縁性高分子材料のHOMO-LUMOギャップ(4-9 eV)は大きく、単なる機械的な接触ではHOMO からLUMOに電子が移動することは容易ではないと思われる。そこで、表面準位モデル[3]やイオン状態モデル[4]のようにHOMO-LUMOギャップ内に何らかの準位が存在し、電子移動に関与するというモデルが提案されてきた。以前、我々は、実際の帯電量を説明し得るだけの状態密度(DOS)がそもそも存在しているかを調べため、励起波長依存型高感度光電子分光(高感度UPS)[5]を用いて、Nylon-6,6薄膜を測定し、摩擦帯電特性について報告した[6][7]。観測されたDOSはギャップ内では、エネルギーに対して指数関数的に減衰しており、また、適当な侵入長を仮定すれば実際の帯電特性をある程度再現できることが判明した。しかし、Nylon-6,6は帯電列によれば正に帯電しやすいが、DOSを測定した だけではこの帯電特性を議論するには不十分であった。そこで、本研究では、高感度UPSを用いて、Nylon-6,6とは異なり負に帯電しやすい特性を持つポリエチレン(PE)をとりあげ、そのモデル化合物であるテトラテトラコンタン(TTC)C_(44)H_(90)薄膜のギャップ内準位を測定した。