[논문 리뷰] Ultrafast molecular orbital imaging of a pentacene thin film using a free electron laser

Mirko Scholz, Kiana Baumgärtner외 18명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 24.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 프리 에일렉트론 레이저(FEL)를 사용한 시간해상 분辨 역각도 광전자방출분광법을 활용하여 펜타센/Ag(110) 이중층 막에서 피코초 시간스케일로 분자의 오비탈을 영상화한다. 고체의 패배 에지 위에 존재하는 일시적인 전하이동 엑시톤 상태를 확인하였으며, 그 파동함수는 직접 영상화되어 두 개의 인접한 펜타센 분자에 걸쳐 분포되어 있음을 보여주며 유기 반도체에서 초고속 전하이동 역학을 밝혀낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유기 반도체 박막에서 분자의 오비탈 수준에서 초고속 자극 상태 역학을 조사하는 것.
• 광학적 자극 조건 하에서 펜타센/Ag(110) 이중층의 시간에 따른 분자 가valence 상태의 진화를 규명하는 것.
• 시간해상 분별 광전자방출을 통해 일시적인 전하이동 엑시톤의 파동함수를 직접 영상화하는 것.
• 측정된 광전자방출 신호와 초기 분자 오비탈 특성 간의 연관성을 행렬 요소의 시뮬레이션을 통해 확립하는 것.

제안 방법

• 피크-프로브 설정을 사용하여 옵티컬 레이저를 피크로, 프리 에일렉트론 레이저(FEL)를 프로브로 사용하여 피코초 시간스케일에서 펜타센 막을 자극하고 탐지하는 것.
• 역각도 광전자방출분광법(ARPES)을 사용하여 분자 가valence 상태의 시간에 따른 동역학적 운동량 맵을 측정하는 것.
• 광전자방출 행렬 요소의 시뮬레이션을 통해 측정된 신호와 자극 상태의 초기 분자 오비탈 특성 간의 연결 고리를 확립하는 것.
• 광전자방출 신호의 시간 진화를 분석하여 패배 에지 위에 존재하는 일시적인 상태를 식별하는 것.
• 실험적 운동량 맵과 시뮬레이션 맵을 비교하여 관측된 일시적 상태가 특정한 분자 오비탈 구성에 해당함을 할당하는 것.
• 분자 간 전하이동 과정을 연구하기 위해 Ag(110) 기판 위의 이중층 펜타센 막에 초점을 맞추는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학적 자극 후 펜타센 박막의 분자 가valence 상태는 시간에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ2 패배 에지 위에 관측된 일시적 상태는 어떤 분자 오비탈에 기인하는가?
• RQ3 시간해상 분별 광전자방출을 통해 일시적 자극 상태의 파동함수를 직접 영상화할 수 있는가?
• RQ4 이 일시적 상태는 국소화된 엑시톤인지, 분포된 전하이동 엑시톤인지인가?
• RQ5 광자극 이후 펜타센 막의 전자 구조는 피코초 스케일에서 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 광학적 자극 이후 일시적인 상태가 패배 에지 위에 일시적으로 점유되는 것이 관측되어 비평형 전자 상태임을 시사한다.
• 이 일시적 상태의 파동함수는 직접 영상화되어 두 인접한 펜타센 분자에 걸쳐 분포된 전하이동 엑시톤임이 확인된다.
• 시간에 따른 운동량 맵은 피코초 스케일에서 자극된 웨이브패킷의 공명 역학을 드러낸다.
• 광전자방출 행렬 요소의 시뮬레이션은 관측된 신호가 상당한 분자 간 특성을 지닌 분자 오비탈에서 기인함을 확인한다.
• 이 일시적 전하이동 엑시톤 상태는 기초 상태의 분자 오비탈과 다름없고 고유한 운동량 공간적 특징을 보인다.
• 결과적으로 FEL 기반의 시간해상 ARPES가 일시적인 전자 상태에서 분자 오비탈 구조를 해상할 수 있음을 입증한다.