千葉大学，分子科学研究所，独イェナ大学の国際共同研究グループは，有機半導体のホールが流れる最高被占軌道HOMOと電子が流れる最低空軌道LUMOの分子軌道の分裂を観測することに成功した（ニュースリリース）。
有機半導体デバイスは，プラスの電荷をもつホールとマイナスの電荷をもつ電子が動くことで動作する。しかし，本来は絶縁体である有機物の中をどのようにしてホールや電子が流れるのか，よくわかっていない。電気が流れるということは，有機半導体の分子と分子の間を「分子軌道の重なり」を伝わって電荷が移ることなので，分子軌道の重なりが測定できれば，有機半導体を電気が流れる仕組みが解明できる。
分子にはたくさんの分子軌道があるが，電気伝導に関わるホールが入っている最高被占軌道（HOMO），電子が入っている最低空軌道（LUMO）が重要。HOMOとLUMOの重なりを調べれば，ホールと電子が流れる機構がわかる。
研究グループは，分子軌道の重なりを調べるのに，量子力学の基本原理に注目。量子力学によれば，分子軌道が重なると，重なりの大きさに応じてエネルギー準位が分裂する。これまでHOMOについては2分子の分裂が観測されていたが，3分子以上のエネルギー準位の分裂を測定した例はなかった。また，LUMOについては分裂を観測した例はなかった。
このような研究を実現するには，ナノ構造の制御とLUMOの測定という二つの課題を克服する必要がある。研究グループは，錫フタロシアニンという有機半導体分子を，炭素（グラファイト）の基板表面に並べると，2分子，3分子と5分子まで縦に並んだ1次元スタックというナノ構造ができることを見出した。
LUMOの精密測定は，低エネルギー逆光電子分光法により初めて可能になる。従来の方法では，LUMOの分裂は原理的に測定できなかったり，測定できても精度が低いという問題があった。
このようにして数をそろえて並べた分子のナノ構造について，紫外光電子分光法でHOMO，低エネルギー逆光電子分光法でLUMOを測定した。その結果，HOMOとLUMOの両方について，分子軌道の重なりによるエネルギー準位の分裂を5分子まで観測することに成功した。
この結果を基に，分子軌道の重なりの指標である「移動積分」をHOMOについては100±10meV，LUMOについては128±10meVと決定した。これまでHOMOの移動積分の測定値はあったが，LUMOの移動積分は今回が初めての測定値となる。
この成果により，有機EL素子や有機太陽電池などのホールと電子の両方が動作する両極性素子の性能の根本的な改良，n型とp型トランジスターを組み合わせた動作速度の速いコンプリメンタリ回路の実現など，現在の有機エレクトロニクスの限界を超えることが可能になり，幅広い波及効果が期待されるとしている。
