2012 Fiscal Year Research-status Report
有機半導体薄膜の電子状態マッピングと時空間キャリアダイナミクス
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24656036
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
山田 剛司 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (90432468)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 2光子光電子分光 / 時間分解分光 / キャリアダイナミクス / 有機半導体 |
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| Research Abstract |
2光子光電子分光法(2PPE)は占有・非占有準位を同時に計測することが可能であり、顕微化によりマイクロメートルスケールで電子状態を可視化できる。一方、高い空間分解能を有する走査トンネル顕微鏡(STM)で局所分光を行うと、原子・分子レベルで電子状態を計測できる。本研究ではこれらの二つの分光手法を組み合わせ、ナノメートルから巨視的領域(μm)に至るまでの広範な空間スケールで有機半導体薄膜の電子状態マッピングを行うことにより、空間的な情報を得ることを第一の目的としている。両手法では吸着構造に関する情報が同時に取得できるため、電子状態と吸着構造との相関が1対1で理解できる。2PPEでは励起光・検出光にフェムト秒パルスレーザーを用いているため、ポンプ・プローブ光に時間差をつけることにより、励起キャリアのダイナミクスを実時間で追跡できる利点がある。
今年度は、代表的な有機半導体であるルブレンを例に用い、グラファイト上に吸着させた超薄膜についてSTMによる空間構造決定を行ったところ、分子がよく整列している様子がみられた。局所分光については、試験的測定を行ったものの探針の影響により表面構造が崩れやすいこともあり、次年度以降の課題が残されている。さらに上述のルブレン薄膜に関して、時間分解2PPE分光の実施に取り組んだ。単分子層程度の超薄膜ではパルス幅よりも速い時間で励起キャリアの緩和が起こっていることが確認された。
このほか、フタロシアニン吸着系についてもSTM観察と2PPE計測を行った。基板温度や分子の吸着量により、吸着構造がガス状からアイランド状に変化することが確かめられた。対応する電子状態についてはとくに非占有準位に顕著に現れることが明らかになった。自由電子的にふるまう鏡像準位の挙動が吸着構造によって変化することが捉えられた。
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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
年度当初より、有機半導体薄膜の作成と電子状態計測、STMを用いた膜の吸着構造の決定に取りかかった。具体的にはルブレンを吸着させた薄膜を例として使用したが、分子欠陥がほとんどなく、分子が整列している様子が見られた。他の系と比較して膜としての性質は良いことが分かったため、2光子光電子分光による電子状態計測に期待が持てる結果が得られた。STMは年度途中で制御用コントローラを更新したため、新規コントローラのインストールとその後の調整に時間を要した。導入後は精密に再現性良く局所分光を行えるようになったため、次年度以降は本格的に局所分光に取り組めることが期待できる。ただし、ルブレン薄膜は弱い吸着系であるため、基板を変えて局所電子状態を計測するなどの工夫も必要であると考えられる。
時間分解2光子光電子分光については、光源のチタンファイヤレーザーのパルス圧縮を行い、60フェムト秒程度のパルス幅を得ている。最低非占有軌道(LUMO)への電子励起の時間変化を観測したところ、単分子層程度の超薄膜ではパルス幅よりも速い時間スケールで緩和が起こることが判明した。光源レーザーのパルス圧縮をさらに進めると同時に、占有準位における正孔の緩和の影響についても考える必要があるため、励起波長を変えて時間分解2PPE計測を行う必要が生じた。
このほか、フタロシアニン吸着系についてもSTM観察・2PPE計測を行うことができた。基板温度や吸着量により、吸着構造がガス状からアイランド状に変化することが確かめられた。対応する電子状態についてはとくに非占有準位に顕著に現れることが明らかになった。構造と電子状態の1対1での相関が得られつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
励起キャリアの時間ダイナミクスを追うための時間分解2光子光電子分光について、光源のチタンファイヤレーザーのパルス圧縮を行い、現在60フェムト秒程度のパルス幅を得ている。最低非占有軌道(LUMO)への電子励起の時間変化を観測したところ、単分子層程度の超薄膜ではパルス幅よりも速い時間スケールで緩和が起こることが判明した。今後は光源レーザーのパルス圧縮をさらに進めると同時に、占有準位における正孔の緩和の影響についても考える必要がある。実験としては、励起波長を変えて時間分解2PPEを丁寧に行う必要があるため、今年度以降の実験で集中的に行う予定である。励起波長依存測定では、正孔のできるエネルギー位置がフェルミ準位に対して変化するため、励起キャリアの寿命に有意な差が生じる可能性がある。ここを突破口にすれば、キャリアダイナミクスについて新しい知見が得られることが期待される。
また、フタロシアニン吸着系についてもSTM観察・2PPE計測を行ったところ、基板温度や吸着量により、吸着構造がガス状からアイランド状に変化することが確かめられている。吸着状態がガス状とアイランド状で相互変化するとき、吸着分子が作るバンド分散と励起キャリアの寿命の相関がどのように変化するか興味深い。この系についても時間分解2PPE計測を行っていく。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
現在、時間分解分光2PPEを精力的に行っているが、レーザーのポンプ・プローブ光の光路差をつけるために使用している光学ステージが古くなり、かつ最近では制御精度が良いものが販売されているので、新規に導入する計画である。汎用のプログラミングソフトで制御でき、既存の装置との入れ替えが可能であるものを選定する。
また、有機半導体材料、基板、STM実験に使用する探針などの必要消耗品への支出を予定している。そのほか、成果発表と情報収集のために学会への出席や、論文発表のための費用、英文校閲にかかる費用などを計上する。
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