分子科学研究所 光分子科学研究領域助教の山根宏之氏、教授の小杉信博氏は、有機太陽電池や有機自発光（EL）素子などの有機半導体材料の電気特性を決定している有機分子同士の弱い相互作用を精密に観測することに初めて成功した。有機デバイスの性能は有機半導体の電子の詰まり方（バンド構造と呼ばれる）と電子やホール（電子が抜けた穴）の動き方で決まっており、これらを理解するには分子同士の相互作用（分子間相互作用）が重要となる。
研究では、有機材料であるフタロシアニン分子の高品質な結晶膜を作製する一方、分子科学研究所UVSOR施設の高輝度なシンクロトロン光の特徴を最大限に活用した角度分解光電子分光（ARPES）装置を新規開発するなどの様々な実験条件を最適化することで、弱い分子間相互作用を初めて観測することに成功した。具体的な実験内容として、
- 分子から飛び出してくる電子の方向を選別する方法
- 光のエネルギーを連続的に変える方法
を組み合わせて、分子が積み重なっている方向に沿って飛び出してくる電子のエネルギーと運動量の周期的な分布（バンド構造）を観測した。
その結果、以下のような重要な知見を含む多くの新しい発見があった。
- フタロシアニン結晶中のホールは自由電子の15倍の重さを持っており、分子間をゆっくりと移動する。
- 分子間相互作用が強い場合と違って、フタロシアニン結晶中のホール移動には、分子に局在した振動が主な役割を担うと考えられてきたが、実は分子結晶全体に広がった振動の影響も無視できず、これらが弱い分子間相互作用の中で共存・協奏している。
- 分子間相互作用の違いでバンド構造の周期性や幅に違いが現れる。分子が金属を含む場合、金属同士の相互作用の周期性が分子同士とは異なる場合があり、単一分子には無い新しい電気特性が現れる。
この成功により、有機分子の新しい性質がわかるだけではなく、新しい機能を持つ分子の設計指針も得られるようになると期待される。さらに、分子が弱く相互作用するときに現れる電気特性に関する理論も高精度に検証できるようになった。
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