走査プローブ顕微鏡を用いた異種分子接合における界面電子状態に関する研究

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真空準位のシフトは異種物質界面の静電気的な性質を示す重要な要素の一つである。無機物質界面で電荷移動が真空準位のシフトの主たる起源とされており、有機分子を含む界面でも電荷移動を用いて解釈する流れにある。しかし、電子的な相関の少ない有機/絶縁体および有機/有機界面にまで適用できるかは不明瞭なままである。本論文では、ケルビンプローブフォース顕微鏡を用いて、Si酸化膜上に成長させたII共役系分子の単分子膜と単分子ヘテロ接合膜の界面における真空準位のシフトを測定し、それぞれの静電的な性質について研究した。有機/絶縁体の研究では、表面の電子状態と電荷状態を制御するためシラン分子を修飾した酸化膜を用い、その上に成長させた単分子膜の真空準位のシフトを測定した。真空準位のシフトは酸化膜表面の電子状態ではなく電荷分布に依存することがわかった。これは分子と基板の間で電荷移動が起こらず、表面電荷によって誘起された分子内の分極が真空準位のシフトの主たる起源であることを示す。さらに、アルキル鎖を付加させた分子を用いると表面電荷の効果は緩和され分子構造の非対称性に由来する真空準位のシフトが得られることがわかった。有機/有機界面の研究では、II平面が向かい合うface-to-facel構造と縦に並ぶhead-to-tai構造をもった単分子ヘテロ接合膜を作製し、界面の構造と真空準位のシフトの関係について議論した。face-to-face構造では電荷移動に基づく真空準位のシフトが得られ、head-to-tail接合ではそれぞれの分子内に分極が生じていることがわかった。これは真空準位のシフトが分子のII軌道の位置関係に強く依存することを示す。これまで電荷移動が重要視されたのはヘテロ接合膜内に異なる吸着構造が混在し、平均化された結果が測定されていたためだと考えられる。本研究では有機/有機界面の構造制御に成功したため、II軌道の混成に基づく真空準位のシフトを得たといえる。