表面光化学反応遷移状態への動的アプローチ

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17KT0099
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 山田 剛司 大阪大学, 理学研究科, 助教 (90432468)
• 研究期間 (年度): 2017-07-18 – 2021-03-31
• キーワード: 2光子光電子分光 / 走査トンネル顕微鏡 / 蛍光 / 芳香族炭化水素 / 励起子

研究実績の概要

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。本研究の目的は、界面電子状態の時間変化をフェムト秒スケールから捉えることにより、光励起後の遷移状態の理解と化学反応の制御ならびに脱励起の制御に直結する描像を得ることである。
前年度までの経過を踏まえ，今年度はペリレン類似系で光励起過程の探索を行った。2次元芳香族炭化水素であるピレンを選択し，単層膜の構造決定と光励起状態からの脱励起に伴う発光をとらえることを試みた。低温吸着時においては分子が凝集していることが分かった。薄膜にレーザー(266 nm)を当てて光励起を行うと，紫外領域に近い波長で蛍光発光が起こっていることを確認した。この現象は分子が基板に対して水平に吸着している室温では見られない。このことから，分子による特異的な凝集構造が発光の出現に関係があるものと考えられる。走査トンネル顕微鏡（STM）による単分子レベルでの構造観察を行ったところ，その結果が支持される凝集構造が観測された。
さらにこの系において2光子光電子分光を適用したところ，LUMO準位よりフェルミ準位に近いエネルギー領域において，新たな励起準位が観測にかかった。前年度までに行ったペリレンの系と同様に，ピレンは溶液で発光しやすい特性を持つ。発光特性に優れた芳香族炭化水素分子を表面上に並べて凝集構造を作り出すことにより，蛍光発光を伴う新たな脱励起を引き起こすことが出来ることが分かった。
このように，表面における分子の構造を制御することで，脱励起の制御に直結する情報を得ることが出来るようになった。現在，他の芳香族炭化水素についても引き続き走査トンネル顕微鏡(STM)や低速電子線回折(LEED)を用いた構造探索を行っている。

研究成果

• [国際共同研究] イエナ大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: イエナ大学
• [国際共同研究] 揚州大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 揚州大学
• [雑誌論文] Lateral Distribution of Optical Excitation at Boundaries around Rubrene Islands Visualized by Microspot Two-Photon Photoemission Spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Okaue D.、Hayashi R.、Wakayama K.、Ito N.、Munakata T.、Yamada T.
  • 雑誌名: Surface Science 巻: 709 ページ: 121847～121847
  • DOI: 10.1016/j.susc.2021.121847
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of Initial and Final States in Molecular Spectroscopies: Example of Tetraphenyldibenzoperiflanthene (DBP) on Graphite (2020)
  • 著者名/発表者名: Kirchhuebel Tino, Kera Satoshi, Munakata Toshiaki, Ueno Nobuo, Shiraishi Ryo, Yamaguchi Takuma, Yonezawa Keiichirou, Ueba Takahiro, Bussolotti Fabio, Yang Jinpeng, Yamada Takashi, Mori Ryosuke, Kunieda Shogo, Huempfner Tobias, Gruenewald Marco, Forker Roman, Fritz Torsten
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 ページ: 19622～19638
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c05448
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structural Characterization and Photoluminescence Properties of Monolayer Perylene on a Graphite Surface (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamada Takashi, Araragi Kento, Kato Hiroyuki S., Munakata Toshiaki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 ページ: 12485～12491
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c02419
  • 査読あり
• [学会発表] Self-Assembled Hetero-Bilayer Stratified by Covalent and Hydrogen bonds on Au(111) surfaces (2021)
  • 著者名/発表者名: Riku Muneyasu, Takashi Yamada, Hiroyuki S. Kato
  • 学会等名: Joint Symposium of JSPS-DST Bilateral Research Project“Charge-and Spin-Blockade in Ultrathin-Layers of Single Molecule Magnets”
  • 国際学会
• [学会発表] Photoluminescence Properties and Excited-State Dynamics of Ultrathin Molecular Films on Graphite (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Yamada and H. S. Kato
  • 学会等名: Joint Symposium of JSPS-DST Bilateral Research Project“Charge-and Spin-Blockade in Ultrathin-Layers of Single Molecule Magnets”
  • 国際学会
• [学会発表] グラファイト表面上に吸着したピレンの吸着構造および電子状態の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田和大典，山田剛司，加藤浩之
  • 学会等名: 2020年表面界面スペクトロスコピー
• [学会発表] 階層的なAu-S結合と水素結合による異種二分子膜の自己組織化過程に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 棟安陸，山田剛司，加藤浩之
  • 学会等名: 関西薄膜表面物理セミナー
• [学会発表] グラファイト表面上に吸着したピレンの吸着構造および電子状態の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田和大典，山田剛司，加藤浩之
  • 学会等名: 日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] 水素結合と Au-S結合による異種二分子膜の階層的な自己組織化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 棟安陸，山田剛司，加藤浩之
  • 学会等名: 日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] 階層的なAu-S結合と水素結合による異種二分子膜の自己組織化過程に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 棟安陸，山田剛司，加藤浩之
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [備考] 研究者個人HP
  • URL: http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/munakata/member/yamada/yamada.html