2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of single molecule STM photoluminescence spectroscopy for investigation and manipulation of energy dynamics in nanoscale
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17H04796
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
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)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 単分子発光分光 / 走査プローブ顕微鏡 / プラズモン-励起子結合 / 単分子吸収分光 / 単分子振動分光 / エネルギー散逸 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、走査トンネル顕微鏡（STM）にレーザー光照射を組み合わせる事で導入される“励起の選択性”を最大限に生かして、(1)単一分子STM-フォトルミネッセンス分光法（STM-PL）の開発及び局所エネルギーダイナミクスの解明と、(2)分子励起子（エキシトン）ダイナミクスの光制御を実現することである。
本年度は、単一分子STM-PL分光を実現するため、波長可変レーザー（Ti:S, 波長可変域700-1000 nm）を新しく導入し、既存の光STM装置への組み込みを行った。導入は問題なく完了し、光照射下でも数mW以下であれば単一分子のSTM観察や走査トンネル分光法（STS）が可能である事が確認された。
単一分子STM-PL分光を実現する基盤として、STM発光分光を応用した単一分子吸収分光法を確立し報告を行なった（Phys. Rev. Lett. 119 (2017) 013901）。この手法は、STM探針と金属基板とのギャップに局在する表面プラズモンを、STMのトンネル電流で励起し、その局在プラズモンを励起源に用いて単一分子に相互作用させることで分子の吸収特性を計測するものである。この単一分子吸収分光で励起源として用いる局在プラズモンは、エネルギーの揃っていないトンネル電流で誘起されるため、局在プラズモンの寿命で決まるエネルギー幅の広い共鳴を示す。そのため、この共鳴の範囲内にある多種の分子内遷移を一度に検出する事が可能である。
実験研究に並行して、理論研究者との共同研究も推進している。分子間相互作用の詳細を理解するために高精度の第一原理計算による励起状態解析も行い、またSTM探針と基板の間に局在するプラズモンと分子の相互作用に関する理論シミュレーションやモデル計算も実施した。
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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
低温下では、分子の共鳴が非常に尖鋭化されるため、単一分子STM-PLを実現するには波長可変レーザーが必須である。本年度は、実験に最適なレーザーの選定から導入までを完了し、次年度以降の実験基盤の整備を行った。
また、光学応答が強いと報告されている分子は数多くあるものの、これまでSTM発光で研究されている分子は非常に限られている。STM発光の適用範囲を広げ、単一分子STM-PL計測に最適な分子を決定するため、いくつかの分子（Dibenzoterryleneやフタロシアニン誘導体など）を用いて、トンネル電流誘起の単一分子STM発光分光測定実験を行った。平面性を持つ分子である、フタロシアニン誘導体では、期待していた通りSTM発光測定において強い光学応答を確認する事が出来た。一方で、非平面分子であるDibenzoterryleneでは、幾つかの吸着形状が確認されたものの、今のところ、STM発光測定では強い光学応答は確認されていない。非平面分子への展開は今後の課題である。
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| Strategy for Future Research Activity |
初めてとなる、単一分子STM-PL測定を実施すると同時に、候補分子のうちなるべく多くの分子でSTM発光分光計測を行い、単一分子STM-PL計測に最適な分子を決定する。多種の分子で単一分子STM-PL測定に成功すれば、それらを組み合わせて、複数種の分子から成るヘテロな分子構造を作ることが可能となる。
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