公大ら，2光子光電子分光法で有機分子薄膜を観測

大阪公立大学と大阪大学は，グラファイト基板上に吸着させたトリフェニレン（TP）分子薄膜の電子状態と表面構造を，2光子光電子分光法，走査型トンネル顕微鏡および低速電子回折を用いて観測した（ニュースリリース）。

これまで有機分子薄膜の静的な電子状態については光電子分光で詳しく調べられてきたが，デバイス等において機能を発現しようとする動的な電子（機能電子）の振る舞いを高精度で検出することは難しく，十分研究が進んでいなかった。

研究では基板上の有機単分子薄膜で光励起された電子を2光子光電子分光法で観測した。有機薄膜には平面型機能性分子のトリフェニレン，基板にはグラファイトを使用した。

光によって励起された電子は，有機分子内や基板界面でエネルギー緩和と電子のやり取りを行なう。この過程は，有機薄膜と基板間の電子移動効率やエネルギー緩和機構に影響を及ぼす。

そこでまず，グラファイト基板上でのTP単分子膜の吸着構造を走査型トンネル顕微鏡と低速電子回折により観測した。その結果，TP分子は分子平面を基板に対して斜めにして整列した特殊な吸着構造をとることが分かった。

このTP単分子層について，光励起された機能電子の振る舞いを明らかにするために，2光子光電子分光法による計測を行なった。この測定の結果から，グラファイト基板上に斜めに吸着したTP単分子膜には，2種類の機能電子が生成されていることが明らかになった。

この機能電子の起源を調べるために，入射するパルス光のエネルギーを変化させながら測定を行なったところ，一方の機能電子は光のエネルギーの増加に伴ってその生成効率が単調に増加するのに対して，もう一方の機能電子は特定のエネルギー閾値以上でその生成効率が大幅に増大することがわかった。

解析の結果，前者はグラファイト基板内で光励起された電子がTP単分子膜の最低非占有準位（LUMO）に注入された自由電子であり，後者はTP分子の内部での光吸収により生成した励起子と呼ばれる束縛状態であると結論した。

このことから，2光子光電子分光法を用いることで，光を照射した際に基板からTP分子に注入された機能電子と，分子薄膜内で光励起された機能電子との両方を，一つの試料で同時に観測することに成功した。

また今回，TP単分子層膜からは目視で確認できるほどの発光が観測された。このことは，分子一層の状態でも励起子が安定的に生成されていることを示すもので，2光子光電子分光法での励起子の観測を裏付けている。

研究グループは，これらの成果は，新たな発光材料の開発や既存材料のさらなる機能向上において重要な知見となるとしている。