2023 Fiscal Year Research-status Report
走査型トンネル顕微鏡と極短パルス光による有機半導体単一分子の電子状態の解明
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21K14697
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
相賀 則宏 兵庫県立大学, 理学研究科, 助教 (50847085)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 走査型トンネル顕微鏡 / 探針増強ラマン散乱 / 単一分子分光 / 有機半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機半導体素子の特性を決定する分子の物理化学的性質は、分子の構造やその電子状態によって大きく左右される。これらの性質は個々の分子の置かれた周囲の局所的な環境に依存する可能性があるため、分子の周囲の局所的な環境と分子構造や電子状態との間の関係を、分子レベルで解明することが欠かせない。特に、これらの分子が実際に半導体素子として用いられる際には金属電極に接触しているため、金属表面に吸着した状態における分子の構造や物性を明らかにする必要がある。本研究課題では、超高真空走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて銀表面上の分子の吸着構造を単分子レベルの高い空間分解能で可視化するとともに、STM探針直下のトンネル接合部位にレーザー光を照射し、探針－基板間のナノ領域に生じる局在表面プラズモン共鳴による電場増強を利用することによって単分子レベルでの分光計測を行う。
令和５年度は、有機半導体素子への応用が期待される6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene(TIPS-ペンタセン)分子等の有機分子を観測対象として、STMトポ像の観察および探針増強ラマン散乱(TERS)分光を行った。
清浄な銀(111)基板の表面の上に蒸着したTIPS-ペンタセン分子の吸着状態をSTMトポ像で観察し、幾何学的な吸着構造を確認した。STM探針を基板に接近させた状態で探針先端部にレーザー光を照射し、探針直下から生じたラマン散乱光をSTMチャンバー外部に取り出して分光検出した。以上の成果は、NanospecFY2023および日本物理学会2024年春季大会において報告した。
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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
清浄な銀(111)基板上に１分子層以下のTIPS-ペンタセン等の有機分子を真空蒸着することで形成した分子層のSTMトポ像を液体窒素温度で測定することにより、分子の吸着構造を観察した。蒸着の各段階における分子膜の成長の様子を観察し、複数種類の分子集合構造をとりうることがわかった。
また探針増強電場下での単一分子分光を行うために、STMの銀探針を試料基板のトンネル電流領域まで接近させた状態で、探針－基板間のナノギャップ領域にヘリウムネオンレーザーの連続光を照射しTERSスペクトルの観測を行った。銀探針の局在表面プラズモン応答を調整することにより、プラズモン増強された分子の振動スペクトルの検出感度を向上させられることを確認した。実測で得られた振動スペクトルを量子化学計算の結果と比較検討した。パルスレーザーを用いた実験に向け、中空ファイバーを用いてパルスレーザー光をSTMチャンバー脇まで導いた。
以上の成果は、NanospecFY2023および日本物理学会2024年春季大会において報告した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和６年度はパルスレーザー光を光源として用いた測定を行い、探針増強電場下における非線形分光も含めた種々の分光測定を試みる。特にSTMトポ像でみられる幾何学的な吸着構造や分子配向の違いが分子の振動スペクトルに与える影響に着目することで、幾何学的な吸着構造と分子の物理化学的特性との間の相関を明らかにする。
STMを用いて蒸着分子のトポ像を観察した後、目標とする分子の直上にSTM探針をトンネル領域まで接近させ、探針先端部位に光を照射することにより、対象とする分子の分光計測を行う。パルスレーザー光源をSTMチャンバー内に導入する際には、STM装置の脇まで導いたパルスレーザー光をSTMチャンバー内の探針先端部に照射する。
振動状態の観測として、パルスレーザーを用いたラマン散乱分光に加えて、非線形ラマン分光であるハイパーラマン散乱分光を試みる。実験で得られたスペクトルに併せて量子化学計算の結果も参照することで、吸着分子の振動構造や電子状態を考察する。特に分子の吸着配向や周辺の局所環境（基板のテラス・ステップ、隣接分子との距離や凝集効果など）が分子の振動構造に対して与える効果について明らかにする。
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| Causes of Carryover |
令和6年2月に当該研究課題の遂行に要する物品を購入した際に、予算残高6,874円に対して物品の購入価格が消費税の端数の関係で6,873円であったため、1円の余剰金が発生した。令和6年度に研究遂行上必要な物品を購入するために使用する計画である。
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