理研,プラズモンによる単一分子発光・吸収分光を実現

理化学研究所(理研)は,単一分子の発光・吸収特性を分子スケールの空間分解能で計測することに成功した(ニュースリリース)。

有機分子を太陽電池や光触媒,発光ダイオードなどの光エネルギー変換デバイスに用いる場合,分子がどのような光を吸収し発光するかといった光学的な特性を調べることが重要。これまで,発光・吸収特性計測には光学技術が用いられてきたが,空間分解能を数100nmよりもよくすることができず,数10nmより小さい微細構造や単一分子の光学特性を詳細に調べることは困難だった。

今回,研究チームは独自に開発した光計測ができる走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて,“伝播しない光”とも呼ばれる「局在プラズモン」と分子の相互作用を利用した単一分子の発光・吸収特性計測を実現した。

STM探針と金属基板の間にトンネル電流が流れると,探針-基板の間に局在するプラズモンが励起され発光する。研究では,この局在プラズモンを分子から数nmの距離に近づけて分子と相互作用させたところ,局在プラズモンのブロードな発光ピークの上にシャープなピークやディップ(へこみ)が現れることを発見した。

理論解析の結果,観測されたディップは局在プラズモンから分子へのエネルギー移動(つまり“分子によるエネルギー吸収”)によって生じ,ピークはプラズモンを吸収して励起された“分子からの発光”によって生じることが分かった。

また,発光過程と吸収過程が同じエネルギーで起きる特別な場合には,量子力学的干渉効果のために非対称なディップ形状が現れることも明らかになった。さらに,測定されたスペクトルには分子振動に由来する小さな発光ピークと吸収ディップも含まれており,分子に関する詳細な分光情報を含んでいることが分かった。

この研究で得られた知見のうち,特に単一分子の吸収特性計測はこれまで非常に困難とされており,基礎科学的な観点から重要な成果。これらの新しい計測手法は,単一分子を構成要素として,新しいエネルギー変換・情報処理デバイスを研究する,単分子励起子工学の開拓・発展に貢献するとしている。

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