[論文レビュー] Ultrafast molecular orbital imaging of a pentacene thin film using a free electron laser

Mirko Scholz, Kiana Baumgärtner+18 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2019

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、自由電子レーザー（FEL）を用いた時間分解角別光電子分光法を用いて、フェムト秒スケールの時間分解能でペントアセン/Ag(110)二層膜における分子軌道をイメージングした。フェルミエネルギー準位の上に存在する一時的な電荷移動励起子状態を同定し、その波動関数を直接イメージングした。この波動関数は、隣接する2つのペントアセン分子にわたって拡散していることが示され、有機半導体における超高速電荷移動ダイナミクスの解明に貢献した。

ABSTRACT

We use time-resolved molecular orbital mapping to explore fundamental processes of excited wave packets and charge transfer dynamics in organic films on femtosecond time scales. We investigate a bilayer pentacene film on Ag(110) by optical laser pump and FEL probe experiments. From the angle-resolved photoemission signal, we obtain time-dependent momentum maps of the molecular valence states that can be related to their molecular initial states by simulations of the involved photoemission matrix elements. We discover a state above the Fermi edge that is temporarily occupied after optical excitation. The wave function of this state is imaged and identified as a transient charge transfer exciton extending over two neighboring molecules.

研究の動機と目的

• 有機半導体薄膜における超高速励起状態ダイナミクスを分子軌道レベルで調査すること。
• 光励起下でのペントアセン/Ag(110)二層膜における分子価電子状態の時間的変化を解明すること。
• 時間分解光電子分光法を用いて一時的な電荷移動励起子の波動関数を直接イメージングすること。
• 行列要素のシミュレーションを通じて、測定された光電子分光信号と初期の分子軌道性質との間の関連を確立すること。

提案手法

• フェムト秒スケールで励起とプローブを行うためのポンププローブ設定を採用し、光学レーザーをポンプ、自由電子レーザー（FEL）をプローブとして用いてペントアセン薄膜を励起・観測した。
• 時間依存の運動量マップを測定するため、角度別光電子分光法（ARPES）を用いた。
• 測定信号と励起状態の初期分子軌道性質との関連を付けるために、光電子分光行列要素のシミュレーションを実施した。
• 光電子分光信号の時間的変化を分析し、フェルミエネルギー準位の上に存在する一時的状態を同定した。
• 実験的運動量マップとシミュレートされたマップを比較し、観測された一時的状態が特定の分子軌道配置に対応することを特定した。
• 分子間電荷移動過程を研究するため、Ag(110)上に形成された二層ペントアセン膜に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光励起後にペントアセン薄膜における分子価電子状態の時間的変化はいかなるものか？
• RQ2 フェルミエネルギー準位の上に観測された一時的状態を引き起こす分子軌道は何か？
• RQ3 時間分解光電子分光法を用いて、一時的励起状態の波動関数を直接イメージングできるか？
• RQ4 一時的状態は局在励起子か、拡散電荷移動励起子か？
• RQ5 光励起後に、ペントアセン薄膜の電子構造はフェムト秒スケールでどのように変化するか？

主な発見

• 光励起後にフェルミエネルギー準位の上に一時的状態が一時的に占有されていることが観測され、非平衡状態の電子状態であることが示された。
• この一時的状態の波動関数が直接イメージングされ、隣接する2つのペントアセン分子にわたって拡散する電荷移動励起子であると特定された。
• 時間依存の運動量マップから、フェムト秒スケールでの励起波パッケットのコherentなダイナミクスが明らかになった。
• 光電子分光行列要素のシミュレーションにより、観測された信号が分子軌道の分子間性質を顕著に示すものであることが確認された。
• 一時的電荷移動励起子状態は基底状態の分子軌道とは明確に異なり、特徴的な運動量空間的特徴を示した。
• FELを用いた時間分解ARPESが、一時的電子状態における分子軌道構造を解像できることを示した。