2016 Fiscal Year Annual Research Report
Study of energy dissipation at a single-molecule by THz-visible STM luminescence
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15H02025
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
金 有洙 国立研究開発法人理化学研究所, Kim表面界面科学研究室, 主任研究員 (50373296)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三輪 邦之 国立研究開発法人理化学研究所, Kim表面界面科学研究室, 訪問研究員 (60734390)
川合 真紀 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 特任教授 (70177640) [Withdrawn]
今田 裕 国立研究開発法人理化学研究所, Kim表面界面科学研究室, 研究員 (80586917)
高木 紀明 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (50252416)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 分子間エネルギー移動 / 単分子発光分光 / 燐光 / 双極子相互作用 / プラズモン-励起子 結合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子間共鳴エネルギー移動は、光合成を始めとする光エネルギー変換過程において非常に重要な現象である。しかし、共鳴エネルギー移動は分子がナノスケールにまで近接した状況でのみ起こるため、従来用いられている光学顕微鏡などでは詳細は未解明であった。本研究で、STM発光/吸収分光法を用いて、異種二分子間のエネルギー移動の実空間計測を世界で初めて実現した。さらに、双方向のエネルギー移動やエネルギー移動のブリンキング現象も新たに発見した。
励起状態における分子間相互作用の詳細を調べるため、STMの分子操作技術で二分子間の相対位置関係を原子精度で制御し、単分子吸収分光で光学特性評価を行った。分子間距離が近づくと、双極子相互作用によるエネルギーシフトとスプリットが観測された。高精度第一原理計算による励起状態解析も行い、実験・理論の両面から双極子相互作用の詳細を記述する事に成功した。
有機LEDは電流を流すことで分子の励起状態を形成し発光する。励起状態は、電子のスピンの向きにより一重項励起状態(S1状態)と三重項励起状態(T1状態)に分けられ、各々からの発光は蛍光と燐光と呼ばれる。電流による単一分子励起状態形成機構の詳細を解明するために、STMを用いた単一分子系に対する発光測定と電子伝導測定を行った。Perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA)を用いたSTM発光測定においては、初めて燐光(励起三重項状態からの発光)を検出することに成功した。発光スペクトルのバイアス電圧依存性や、走査トンネル分光法によるdI/dVスペクトルから、三重項状態の形成メカニズムを解明し、また、印加電圧が低い領域では燐光のみ生じるという新しい現象を発見した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
可視STM発光分光に関しては昨年と同じく実験面・理論面において、当初想定していたよりも大きな進展があった。主な成果としては、異種二分子間での共鳴エネルギー移動の実空間計測（Nature 538 (2016) 364-367）、高精度第一原理計算と可視STM発光分光の融合によるダイポール相互作用における距離・方位依存性の解明、単一分子の燐光計測、単一分子発光の絶縁膜膜厚依存性、六方晶窒化ホウ素膜上での単分子分光の実現、などの成果を得ることができた。
テラヘルツSTM発光に関しては、昨年12月に生じた実験装置の不具合から4か月の復旧機関が必要だったことや、世界的な状況を鑑みて可視STM発光の推進を優先させたことから、研究計画に遅れが生じている。今年度の進展としては、試料に用いるMgO薄膜の表面フォノン計測をSTM非弾性トンネル分光法で行った事、また、高感度テラヘルツ検出器を作製しテストに成功した事がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
2016年に入り他の2グループから重要な可視STM発光の論文が発表され[Phys. Rev. Lett., 116, 036802 (2016), Nature, 531, 623 (2016)]、急きょ可視STM発光研究の推進を優先させた。その結果、世界に先んじて二分子間のエネルギー移動を直接観測することに成功したが、今後も激しい競争が予想されるため、可視STM発光とテラヘルツSTM発光はそれぞれ独立に研究を進めるべきである。
実験装置の不具合などから遅れが生じているテラヘルツSTM発光では、これまでの研究によって検出器開発と試料準備、予備実験は完了している。装置の不具合を解決し次第、本格的な計測を開始し、テラヘルツSTM発光測定の世界初の実現を最優先に進める。
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