走査型トンネル顕微鏡と極短パルス光による有機半導体単一分子の電子状態の解明

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有機半導体素子の特性を決定する分子の物理化学的性質は、分子の構造やその電子状態によって大きく左右される。これらの性質は個々の分子の置かれた周囲の局所的な環境に依存する可能性があるため、分子の周囲の局所的な環境と分子構造・電子状態との間の関係を、分子レベルで解明する必要がある。本研究課題では、超高真空走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて実空間で分子の吸着構造をナノイメージングするとともに、STM探針直下のトンネル接合部位にレーザー光を照射し、探針－基板間のナノ領域に生じる局在表面プラズモンによる電場増強を利用することによって単分子レベルの分光計測を行う。令和4年度は、有機半導体素子への応用が期待される6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene(TIPS-ペンタセン)分子等の有機分子を観測対象として、STMトポ像の観察および単一分子レベルでの探針増強ラマン散乱(TERS)分光を行った。清浄な銀(111)基板の表面の上に蒸着した分子の吸着状態をSTMトポ像で観察した。STM探針を基板に接近させた状態で探針先端部にレーザー光を照射し、そこから発生する分光信号を効率よく検出するための実験方法を確立した。STM銀探針にTIPS-ペンタセン分子を吸着させた後、次に銀探針を銀(111)基板に接近させたときのみ、TIPS-ペンタセンに由来するとみられるTERS信号を観測した。興味深いことに、TIPS-ペンタセン分子のラマン活性な振動モードに加え、本来ラマン不活性・赤外活性なモードも観測されることがわかった。この結果を銀と分子が接触することによる分子構造の対称性の変化に基づいて理解できることを提唱した。以上の結果は査読付き学術誌２本に掲載され、第16回分子科学討論会において報告した。