2017 Fiscal Year Research-status Report
ヘリウムフリー・STM単一分子分光法の開発と有機半導体分子の電子状態計測
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16K05656
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
山田 剛司 大阪大学, 理学研究科, 助教 (90432468)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 走査トンネル顕微鏡 / 有機半導体 / 電子状態 / 単一分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて単一分子の電子状態計測を行う場合、熱ノイズ、熱ドリフト等、熱に起因する様々な問題を避けるため、STM本体を液体ヘリウムで冷却した極低温環境が必要不可欠とされてきた。本研究では液体ヘリウムを使用しないSTM単一分子分光法の開発を試み、固体表面上に吸着した有機半導体分子の電子状態を単一分子レベルから評価できるようにすることを目的としている。
前年度までにおいては、2次元薄膜の作成と、それを用いた局所スペクトル計測を行ってきた。具体的には、局所スペクトルの取得前にSTM像を連続取得し、試料の熱ドリフト量とドリフト方向の見積もりをおこなっている。局所分光では、距離(z)-電圧(V)依存性から電子状態を計測する手法を開発し、電子状態の2次元マップを作成した。
今年度は上記に加え、電流(I)―電圧(V)特性からも同様のことができるようになり、前者で得られた情報に加え、エネルギー分解能が優れた手法で、同じ系を評価することができるようになった。
さらにペリレン超薄膜において構造観察ならびに局所分光に着手した。この系では、単層膜からなる超薄膜をフェムト秒レーザーで励起すると、可視光が蛍光放出されることを新たに見出している。放出光子のスペクトルを解析すると、薄膜ができた時に分子2量体を形成していることが示唆されたが、実空間での情報は得られていなかった。そこで本年度は、STMを用いることで単一分子レベルでその構造を初めて明らかにすることができた。これにより、光子放出の機構と分子レベルで見た構造とをリンクさせて理解することができるようになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
最終的には単一分子分光までを行うことを目標とする。
本年度はそれに先立つ形で昨年度とは別種の2次元超薄膜に適用することで、本課題で提案した計測手法(zV分光)が局所分光の計測モードとして適切であることを示すことができた。
また、巨視的な計測手法である2光子光電子分光との比較を同一計測対象で行い、局所分光の結果と比較を行うことができた。巨視的に観測された非占有電子状態は、STM局所分光で観測されたものとよく対応していることが判明し、zV分光での計測結果とよく整合していることが明らかとなった。加えて、分子が単分子で吸着する、計測に適した系を探索していく。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる今年度は、前年度新たに得られた結果である、薄膜からの光子放出過程について、異なった分子を用いて再度検討する予定である。得られた電子準位を具体的に評価する方法としては、量子化学計算との比較や光電子分光法との直接比較を計画している。
また、本研究で提案した手法では、原理的には室温でも実験を行うことができ、極低温分光のように、冷媒補充のための時間制約が測定時間の上限となることが事実上無くなる。従って、低温という条件に限らず、様々な温度条件での実験を実施する予定である。
実デバイスの動作条件と同じ温度環境下での測定は、有機デバイスの動作原理の理解や性能向上への大きな貢献が期待できる。
単一原子・単一分子レベルでみた微視的な電子状態が明らかにできれば、吸着分子数に依存した電子状態の描像も得ることができる。この結果、分子軌道的な描像とバンド描像とが交錯する空間領域での電子状態が理解できるようになり、本研究で開発した、単一分子分光の強みが生かされてくることも期待される。
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| Causes of Carryover |
当初予定していた物品購入に係る費用（消耗品等）が少なくなったため、余剰が生じることとなった。次年度においては、剰余金を利用して2PPE装置に紫外光源を導入し、占有準位における電子状態を計測できるように整備する予定である。非占有準位のみならず、占有準位側の情報が得られるようになることが期待できる。
これにより、フェルミ準位近傍において、より広いエネルギー領域で電子状態の包括的な理解へとつながることが期待される。
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