電場変調分光法による単分子の電子状態の解明

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単分子に電界を印加し、それに伴う単分子の光応答(吸収、反射、光電流など)の変化を高感度に検出することで、バルクとしては現れない単分子固有の物理現象を見出し、その物理的起源の解明を行うことを目的とした研究を進めてきた。従来単分子の物性解明のために行われていた電気測定だけでなく、光学的な測定手段を組み合わせることにより、単分子の電子状態に関する情報が得られるばかりでなく、単分子の電界効果を用いたフォトニクス分野の開拓につながると期待している。単分子の光応答を測定するためには、単分子からの微弱な信号を観測にかかる程度にまで増幅する実験手段が必要である。今年度は、いわゆる光アンテナ構造を作製して、アンテナ近傍の光電場を著しく増大させ、それにより単分子の光応答を観測することを目的として研究を進めた。ここで、光アンテナ構造とは、一般的にラジオ・テレビ周波数領域で用いられているメートルサイズのアンテナ構造を光の波長域のナノメートルサイズで実現するものである。これにより、アンテナ近傍において光電場の著しい増大(共鳴条件で1000倍以上)が起こるため、光アンテナ近傍の分子からの微弱な光信号を選択的に観測することが可能になると期待される。まず、電子線リソグラフィなどのナノ構造作製技術を駆使してガラス基板上に金で作製した一辺およそ100nmの三角形をギャップ20nm以下で向かい合わせた、光アンテナ構造を作製した。この光アンテナ近傍の無機・有機層状ペロブスカイト型結晶(C_6H_13NH_3)_2PbI_4をスピンコートし、そこからの発光スペクトルを測定した。光アンテナのギャップが20nm以下の領域において発光強度の増大が観測された。ギャップ長10nmの試料に対して電場変調分光を行ったところ、1s励起子のシュタルクシフトと励起子寿命の減少に伴うスペクトルのブロード化に起因する信号が観測された。