Home研究に関するお问い合わせ先
解良 聡 教授
分子科学研究所／総合研究大学院大学
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报道担当
自然科学研究機構 分子科学研究所 研究力強化戦略室 広報担当
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筑波大学 広報局
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琉球大学 総務部総務課広報係
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広島大学 広報室
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総合研究大学院大学 総合企画課 広報社会連携係
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発表のポイント
１）「弱い相互作用」そのものの指纹を捉えた
共有结合をともなわない界面において、电子状态が干渉する様子を、直接的にスペクトルから抽出。电子的な接続性の新しい証拠となる。
２）量子化学计算の精度向上への足がかり
今回観测されたファノプロファイルや分散バンドの特徴は、従来の平均场的近似では捉えきれなかった现象であり、理论モデルのベンチマークデータとしての役割が期待される。将来の高精度电子构造计算の検証基盘となる。
３）机能性界面材料の设计に応用可能
柔らかく弱い相互作用を利用したナノ界面デザインにおいて、电子の“つながり”の程度を评価する新しい方法论として展开可能。
概要
ふれるか、ふれないか。そんなかすかなやりとりが、电子の世界に痕跡を残す。分子と基板が作る“界面”で生じる极めて弱い结びつき「ファンデルワールス相互作用(1)」。その存在を、电子の共鸣现象（ファノ共鸣(2)）として初めて明瞭にとらえることに、日本の研究チームが成功しました。この発见は、未来のナノエレクトロニクスや次世代材料の基盘となる、分子界面の「见えないつながり」の可视化につながるものです。
本研究成果は、国際学術誌『Physical Review B』に、2025年8月1日付でオンライン掲載されました。
研究の概要
有机分子と无机材料の接触界面では、电子のふるまいが复雑に変化します。一方で、异なる材料间の界面の电子状态の解析は、金属や酸化物などの「强く结合する系」に限られていました。しかし、近年では、2次元材料や分子エレクトロニクスにおいて、あえて“弱くつなげる”ことで机能を引き出す设计が注目されています。中でも“化学结合をともなわない吸着”
——ファンデルワールス相互作用（惫诲奥）による吸着系は、材料间の结びつきが极めて弱く、その検出や解析が困难とされてきました。
研究の成果
このたび、分子科学研究所／総合研究大学院大学の解良聡 教授、長谷川友里 博士研究員（現：筑波大学数理物質系 助教）らの研究グループは、有機半導体分子ペンタセンを黒鉛（グラファイト）表面に一層だけ吸着させた、弱くつながった界面系において、電子が共鳴的に振る舞う“ファノ共鳴”を、シンクロトロン放射光(3)の特殊な光を利用した低エネルギー角度分解光電子分光法（LE-ARUPS）(4)で精密に観測しました。
ファノ共鸣とは、物质の离散状态と连続状态(5)が干渉し、スペクトルに特有の非対称なピーク（ファノプロファイル）を生じる现象です。本研究では、ペンタセン(6)とグラファイト(7)の界面において、分子内の离散状态と基板侧の连続状态が干渉する様子について、励起光のエネルギーと电子の运动量の依存性を丁寧に解析し、一见して结合性のないと思われていた界面でも互いの电子云がつながっている痕跡を、直接的に示しました。今回の研究は、そうした“弱い结びつき”の効果を、电子状态という物理量で可视化し、机能设计に生かす新たな指针を提示するものです。
科学的意义と今后の展望
こうした知见は、フレキシブル电子材料、センサー技术、量子情报処理など、さまざまな応用が期待される分野に対して、新たな材料设计指针を与えるものです。また、ファンデルワールス结合に基づく二次元材料の研究が进む中で、「见えないつながり」を可视化するための基础技术としても、大きな意义を持っています。今后は、他の有机?无机界面にも応用し、机能性材料开発に広く贡献することが期待されます。
図１ 有機半導体分子ペンタセンをグラファイト表面に一層吸着させた界面において、電子は両物質の性質、つまり分子に閉じた状態（離散準位）と分子と基板がつながった状態（連続準位）の２面性を持ちます。エネルギーの高い真空紫外線（放射光）を照射することで物質から電子が励起されますが、電子はこれら両方の準位への電子遷移が共鳴的に起こっていることが、励起光のエネルギーとスペクトルの強度変化の相関からわかります（ファノスペクトル）。電子が励起される前の状態では、分子と基板が結合した影響が極めて小さいために、現在の計測では観測にかかりませんが、励起状態の電子雲の空間的な広がりの大きさによって、その結合（手を繋いでいる）根拠を捉えることに成功しました。
図２ シンクロトロン放射光を利用した低エネルギー角度分解光電子分光法（LE-ARUPS）は光損傷し易い有機分子への影響を抑えつつ、高い検出感度とエネルギー分解能でスペクトルを得ることができる手法です。UVSORの特徴的な低エネルギー帯域を細かく変化させながら、スペクトルの二次元構造（エネルギーと運動量の分散関係）を追跡しました。運動量に対してエネルギーが変化しない（分散の弱い）分子に局在した性質をもつ離散準位と、明確な運動量依存を示すエネルギーバンド分散の強い連続準位が重なって観測されています。前者は、通常の実験のように励起光エネルギーの増加に対応して運動エネルギーがシフトしていますが、後者は一定の運動エネルギーで観測されていることから、真空準位(8)より上のエネルギーに位置する、終状態の電子準位を観測していることがわかります。ファノ共鳴は、連続的に広がる状態（連続準位）を経由する散乱経路と、有限寿命の離散準位を経由する経路が量子干渉することで生じる共鳴吸収?散乱現象です。干渉位相のずれによりスペクトルは左右非対称な「ファノ線形状」を示し、鋭いピークと抑圧ディップが隣接します。
用语解説
(1) ファンデルワールス相互作用（vdW）
原子?分子の电荷のゆらぎが互いを诱起して生じる弱い引力（分散力）のこと。共有结合やイオン结合を伴わない吸着や层间の结合を起こす主因で、本研究での“弱い结びつき”の主要な原因である。
(2) ファノ共鳴（Fano resonance）／ファノ線形状
物质の离散状态と连続状态が同じ领域で重なるときに起きる量子干渉のこと。スペクトルが左右に非対称になり、鋭いピークのすぐ横に深い谷（ディップ）が现れる。この独特の形（ファノ线形状）は、2つの状态の结びつき方で见え方が変わる。今回の分子薄膜系における非対称度は、分子と基板の弱い“つながり（混成）”の强さを示す指标になる。
(3) シンクロトロン放射光
加速器で电子を周回させて得る高辉度（强度）?可変波长の光源。小型のシンクロトロン放射光源である鲍痴厂翱搁-滨滨滨の低エネルギー帯域（真空紫外线）を励起光源として用いた尝贰-础搁鲍笔厂により、界面のごく弱い信号を高精度で抽出できる。
(4) 低エネルギー角度分解光電子分光（LE-ARUPS）
真空紫外光で叩き出された光电子の运动エネルギーと放出角を测り、物质中の电子のエネルギーと运动量（贰–办）の2次元分布を得る手法。低エネルギー励起光を使うことで、光イオン化断面积が大きくなり、有机分子の光损伤を抑えつつ、高感度?高分解能で界面特有の微弱信号を捉えられる。
(5) 離散準位と連続準位
离散準位は分子薄膜内に局在し、运动量によってエネルギー準位がほとんど変化しない电子の状态のこと。连続準位は基板に広がるバンドで、运动量に応じてエネルギー準位が连続的に変わる电子の状态のこと。両者の电子の状态间の干渉がファノ共鸣を生む。
(6) ペンタセン（pentacene）
5つのベンゼン环が直列に连なった形をした代表的な有机半导体分子。本研究ではグラファイト上に単分子层として吸着させ、分子薄膜の配列构造と电子构造の相関から惫诲奥界面での电子状态干渉（ファノ共鸣）を调べた。
(7) グラファイト（黒鉛）
炭素の原子がシート状に何枚も积み重なった结晶（多层グラフェン）であり、导电性の连続状态（バンド）を提供する基板となる。分子との相互作用が弱いため、界面における电子状态の微细な変化を议论することに适している。ペンタセンの离散準位と弱く混成し、共鸣的な线形状（ファノ）を示す。
(8) 真空準位（Evac）
固体の外、真空中に“自由になった电子”の基準エネルギーのこと。一定の运动エネルギーで観测されるバンドなどは、终状态（光电子検出侧の电子状态）の帰属の根拠となる。フェルミ準位によるエネルギー基準轴とともにスペクトル解釈の基準になる。
论文情报
掲載誌：Physical Review B
タイトル：Fingerprinting weak electronic interaction at a van der Waals interface: Fano signatures in a pentacene monolayer on graphite
著者：Yuri Hasegawa（分子科学研究所、筑波大学）, Takuma Yamaguchi（分子科学研究所、総合研究大学院大学）, Matthias Meissner（分子科学研究所）, Takahiro Ueba（分子科学研究所）, Fabio Bussolotti（分子科学研究所）, Shin-ichiro Ideta（分子科学研究所UVSOR、広島大学）, Kiyohisa Tanaka（分子科学研究所UVSOR、総合研究大学院大学）, Susumu Yanagisawa（琉球大学）, Satoshi Kera（分子科学研究所、総合研究大学院大学）
掲载日：2025年8月1日（オンライン公开）
顿翱滨：丑迟迟辫蝉://诲辞颈.辞谤驳/10.1103/2办7丑-丑8箩尘
研究グループ
分子科学研究所、総合研究大学院大学、琉球大学
（现所属：筑波大学、広岛大学）
研究サポート
日本学術振興会 科研費（18H03904, 20K15176, 23K04667, 23H05461）／UVSOR施設利用課題（15-534, 16-547, 17-547, 18-572, 19-570)
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