2019 Fiscal Year Annual Research Report
過渡加熱法と界面敏感振動分光法による水／固体界面の水素結合ダイナミクス解明
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18H01942
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
渡邊 一也 京都大学, 理学研究科, 教授 (30300718)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
奥山 弘 京都大学, 理学研究科, 准教授 (60312253)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 和周波発生 / 表面振動分光 / 超高速分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の主な成果は以下の通り．
１）前年度から構築・改良を続けたバランス検出型ヘテロダイン検出和周波発生振動分光測定システムを用いて，超高真空下でのRh(111)表面に吸着した単一分子層の氷薄膜に対し，OH伸縮振動領域の振動スペクトル測定を行った．特に，これまで同位体希釈した条件での測定のみが行われていたのに対し，新たにH2O氷についての測定を行い，大きく低波数シフトした領域に，正の符号を有する非線形感受率スペクトルが観測された．双極子－双極子相互作用を取り入れたモデル系での基準振動解析により，このバンドが従来の解釈とは異なり，吸着分子層面内に主に配向した遷移双極子を有する協同的な振動モードであると帰属した．
２）微小共振器中に閉じ込めた有機薄膜における電子励起状態ダイナミクスに着目し，真空蒸着法により，銀薄膜に有機分子層を挟んだ薄膜を作成し，ポンププローブ法による励起状態ダイナミクスの観測を行った．ルブレン非晶質膜を挟んだ場合，励起子ポラリトンの形成により，電子励起状態からの一重項励起子分裂ダイナミクスが変調を受けることが明らかとなった．振電結合を取り入れたモデルハミルトニアンを用いた理論解析により，振電ポラリトンのエネルギー構造を明らかにし，実験で観測された一重項励起子分裂速度の変化を説明することに成功した．
３）超高真空下で作製したテトラセン超薄膜に対し，二次元電子分光測定を行い，その励起子スペクトル拡散挙動を初めて明らかにした．その結果スペクトル拡散の速度が，96 Kから186 Kに昇温することで約５倍増大するという特異な挙動が明らかとなった．
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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
超高真空下の界面における，単一分子層のヘテロダイン検出和周波振動スペクトルを短時間で取得できるような装置改良を行ったことで，水分子吸着層の振動スペクトルについての本質的な知見を新たに得ることができた．さらに，今後の研究で述べるように，この計測手法を微斜面単結晶基板上での吸着種に適用するために，装置を改良し，表面偏角依存性の計測が容易に行えるように，試料ホルダーおよび，試料ステージの改変を行った．これまで液体窒素による冷却により到達温度は90 K程度であったが，あらたにヘリウム希釈冷凍機を導入することで，30 K程度までの冷却が可能なシステムを上記偏角依存性測定用の回転ステージに結合したシステムを構築した．これにより，スムーズに最終年度の計画を遂行できると期待される．
また，新たに構築した超高真空下での有機薄膜についての二次元電子分光測定システムでは，非同軸バラメトリック増幅器からの出力を液晶変調素子を用いた波形変調器により位相制御したパルス対に変換し，その遅延時間を掃引しながらポンプ―プローブ型の二次元電子分光計測を行う方式を採用した．位相サイクリングを行うことで，試料からの不必要な散乱を取り除き，さらに測定時間を短縮化することができた．これにより，約４分子層という超薄膜の有機分子層の二次元電子分光スペクトルを測定することに成功した．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は，これまで構築してきた新しいヘテロダイン検出和周波発生分光システムを，新たに微斜面を有する金属単結晶表面に適用し，基板の面内反転対称性の破れが吸着水分子層の構造およびダイナミクスに与える影響を調べる．過渡過熱光学系を完成させ，瞬時的な温度上昇に対する融解挙動や，溶媒和ダイナミクスと，基板ステップ構造などの微視的構造との相関を明らかにする．水素原子を共吸着させることで，余剰プロトンを生成させ，界面でのヒドロニウムイオンの挙動についての分光学的知見を，上記基板構造との相関に着目して調べる．加えて，対象基板をアナターセ型二酸化チタン単結晶に広げ，酸化物表面での水分子吸着構造・過渡過熱応答ダイナミクスを調べる．
また，前年までに知見を蓄積した微小共振器中のポラリトン形成による電子励起状態ダイナミクスの研究について，挿入分子の振動子強度および実効濃度を系統的に変化させることで，ラビ分裂幅を支配する要因と，その電子励起状態ダイナミクスに与える影響を明らかにする．特に，協同的なラビ分裂が系のスペクトル揺動に与える影響と，励起子ポラリトンの空間非局在化度合いとの相関に着目する．加えて，ポラリトン結合輻射場の共振エネルギーを紫外域に近づけ，水素結合を有する分子系の基底状態のポテンシャル変調が引き起こされる可能性を，時間分解分光，赤外吸収分光を用いて調べる．
さらに，前年度構築した超高真空下での二次元電子分光測定システムを，有機分子薄膜に適用し，電子励起状態からの電子移動や一重項励起子分裂などの非断熱過程における揺動の役割を明らかにする．
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Research Products
(8 results)
