2018 Fiscal Year Research-status Report
角度分解光電子分光法を用いた金属超薄膜と有機分子の界面電子状態の精密研究
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18K03491
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
八田 振一郎 京都大学, 理学研究科, 助教 (70420396)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 有機金属界面 / 光電子分光 / 低速電子回折 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、有機/金属界面の形成に関わる分子軌道と金属表面電子状態との相互作用を明らかにすることを目的とした実験研究を実施する。とくに分子軌道に加えて金属基板の電子状態変化を捉えるため、金属基板としてバルク金属ではなく半導体基板上に作製した金属超薄膜を用いるところに特色がある。
まず始めに有機分子の真空蒸着装置の製作を行った。るつぼをφ3.0 mm、肉厚0.05 mmのタンタル管から作製して加熱部全体を小型化したことにより、蒸着中の脱ガス量を大幅に抑制するに成功した。このため、当初予定した水冷機構付きの市販蒸着源を購入する代わりに、2台の自作蒸着源を製作し、複数種類の分子についての実験を効率的に進めるための環境を整えた。
実験としては、Si(111)表面上に作製した2原子層のIn超薄膜を基板として、サブモノレイヤーから2,3分子層までの範囲におけるフタロシアニン（H2Pc）および金属（M=Fe, Co, Cu）を内包したフタロシアニン（MPc）の吸着状態を低速電子回折（LEED）と表面電気伝導度測定によって調べた。ここから、吸着分子が2次元結晶を形成する過程における被覆率および温度の効果を明らかにした。電子状態については、FePc吸着表面について角度分解光電子分光測定を行った。スペクトルの膜厚依存性から、単分子層に特有の電子状態をフェルミ準位近傍に見つけた。この電子状態は表面平行方向について分散しておらず、分子に局在した状態と判断された。一方、In超薄膜の2次元自由電子的なフェルミ面について吸着による変化は確認されなかった。現在、分散関係における分子吸着の影響を解析中である。
このほか、新しい基板金属となりうる1原子層のIn超薄膜の電子状態および原子構造の研究も行った。この単原子層の金属的な電子構造を明らかにし、温度による金属-絶縁体転移についても調べた。
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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
蒸着装置の整備が当初の想定より進んだことにより、複数種類のフタロシアニンの電子状態についての実験を円滑に遂行できる準備が整い、FePc/In/Si(111)の系において吸着分子および金属表面、両方の電子状態について同程度の精細さで観測することができた。その結果、被覆率による電子状態変化を捉え、分子/金属界面形成に関わる電子状態を特定するところまで達成できた。
また、低速電子回折による実験において吸着分子は膜厚に応じた特徴的なパターンを示すことが見つかり、この性質を利用して吸着量を評価する方法を確立できた。このことは異なる実験設備でも整合性のある試料作成を行う上で重要な知見である。さらに、吸着分子の2次元結晶化が起こる被覆率や温度の違いは、内包金属によって分子-分子間相互作用に大きな差があることを示唆している。有機/金属界面で形成される電子状態がどのように分子間の引力的な相互作用と関係するのか、新たに関心を広げる成果であった。
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| Strategy for Future Research Activity |
In/Si(111)表面上でのフタロシアニンおよび金属フタロシアニンの吸着状態に対応した電子状態変化の測定を進めていく。先行して実施したFePc吸着表面の角度分解光電子分光実験から、基板の対称性による方向の異なるドメインの共存によって多数の電子バンドが交錯する複雑なスペクトルが得られ、これがバンド分散に対する分子吸着の効果の解析を妨げていることが分かった。そこで、一つのドメインの優先的な成長を促す微傾斜基板を用い、さらに、基板と分子のスペクトル強度に大きな差がある波数空間の位置を探すなど、測定条件をより最適化した実験を行う。
一方、フタロシアニンの分子軌道の構成は吸着によって孤立分子のときから変化するため、最高占有軌道（HOMO）におけるd電子の軌道成分や電子配置は自明ではない。この点について、内包金属を変えることに加えて、スペクトル強度の励起光エネルギー依存性や偏光依存性を調べることも有効であるので、放射光施設での光電子分光実験について検討する。
この他、金属表面の電子状態の違いによる効果を調べるため、In/Si(111)表面で金属的であることが判明した単原子層構造や、その他の金属的な超構造（Tl-Pb合金など）、超薄膜（Bi2T3超薄膜など）におけるフタロシアニンの吸着状態についても調べ始める。
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