2017 Fiscal Year Research-status Report
Dynamical Approach to Investigate Transition State on the Surface Chemical Reactions
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17KT0099
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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) |
2017-07-18 – 2020-03-31
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| Keywords | 2光子光電子分光 / 固体表面 / 非占有電子状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子が吸着した固体表面における光化学反応は、分子-基板間における化学結合の切断と生成を伴う過程が存在し、固体表面と分子との間でおこる電荷のやりとりが反応開始のきっかけとなりうる。電荷移動に伴う界面電子状態の時間変化をフェムト秒スケールで捉えることにより、光励起後の遷移状態の理解と反応制御に直結する描像を得ようとすることが本研究の目的である。
表面化学反応が関与する研究領域や研究対象は非常に多岐にわたり、触媒反応、電極表面反応、半導体プロセス、摩擦現象など、枚挙にいとまがない。このうち、電子状態・振動状態・吸着子による表面構造など「静的な」情報については、精度の高い実験情報が得られるようになり、理論研究との二人三脚も軌道に乗りつつある。一方で、上記情報の時間発展や遷移状態を含む「動的な」情報を捉えたという研究例は少なく、表面化学反応の時間発展や遷移状態に関する知見が乏しい。
表面の反応性はどこから生まれるのか？ 化学結合の切断や生成はどのように進行するのか？という、表面化学反応の反応遷移状態における本質的な問いに答えることは重要な課題の一つである。本研究では、分子吸着表面における光励起反応をモデルに、光励起直後からの電子励起遷移状態を計測することで、分子―基板間結合の切断と生成に関与する、反応遷移状態の本質に迫る。
初年度となる今年度は、(1)時間分解測定における遅延光路の整備を行い、(2)超薄膜形成のための条件だしを行った。この結果、ペリレンからなる単層膜において、光励起後の脱励起に伴う発光をとらえることができた。2層膜以上の薄膜からの発光は数例の報告があるが、単層膜からの発光は極めてまれであり、これを足掛かりに、光励起後の遷移状態を探索していく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
年度中途に課題が採択されて研究を開始したため、現時点では若干遅れている。
初年度となる今年度は、(1)時間分解測定における遅延光路の整備を行い、(2)超薄膜形成のための条件だしを行った。この結果、ペリレンからなる単層膜において、光励起後の脱励起に伴う発光をとらえることができた。
(1)について、具体的には、光遅延光路を整備し、時間分解測定を開始できる目途が立った。現段階では100ピコ秒程度までの時分割2PPE測定が可能になっており、これを用いて光励起後の反応を追跡する。同時に薄膜作成の条件出しや、その他の系の探索も行っており、次年度より本格的に計測ができるようにする予定である。
(2)について、ぺリレンからなる単層膜において、光励起後の脱励起に伴う発光をとらえることができた。系全体のポテンシャル描像を得るためには、時間・角度分解２PPEが有効であり、今後推進していく。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度に組み上げた遅延光路と2PPE装置を用いることで、光励起後の超高速過程を追跡できる目途が立っている。具体的には遅延光路と電子分光器を同期させ、遅延時間ごとのスペクトルを取得する予定である。また、電子分光器は角度分解測定に対応している。遅延時間ごとに励起電子のエネルギー分散関係を取得することが可能であり、これをもちいた角度・時間同時分解測定を目指す。
これにより、遅延時間に応じた励起電子の有効質量を計測することができる。前年度には、単分子層からの光放出光過程が観測された。光放出にいたるまでの、やや遅い過程において、重い有効質量の電子が観測されるようなトラップ準位の存在があるかどうかは、光化学反応進行においても興味深い。
また、レーザーの繰り返し周波数から考えると、発光はナノ秒スケールに及ぶことが予想される。通常の遅延ステージを利用して時間分解測定を行うことに加え、光チョッパを用いた、ナノ秒スケールの遅延時間をつけた後の2PPE分光・発光分光にも取り組む予定である。
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| Causes of Carryover |
当初計画では光学遅延ステージ(未使用額とほぼ同額)を導入する予定であった。しかしながら、他テーマ研究で未使用となったステージを転用することができたため、当該費目の支出の必要性がなくなった。
今後、残額を合わせて光学部品や、励起光源の購入に充てる予定である。後者の導入により、占有準位の情報が得られるようになり、フェルミ準位近傍の電子状態に関して、包括的な理解につながることが期待できる。
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