高密度共役キラル分子集積体における高効率電流-スピン流変換

• Project Area: Condensed Conjugation Molecular Physics and Chemistry: Revisiting "Electronic Conjugation" Leading to Innovative Physical Properties of Molecular Materials
• Project/Area Number: 20H05870
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 須田 理行 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80585159)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 久暁 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (50362273)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥52,780,000 (Direct Cost: ¥40,600,000、Indirect Cost: ¥12,180,000); Fiscal Year 2024: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2023: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2022: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2021: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000); Fiscal Year 2020: ¥21,970,000 (Direct Cost: ¥16,900,000、Indirect Cost: ¥5,070,000)
• Keywords: スピントロニクス / キラリティ / キラリティ誘起スピン選択性 / キャリアドーピング / CISS効果 / 遷移金属ダイカルコゲナイド / ファンデルワールス超格子 / スピン偏極電流 / 超伝導 / 電気化学 / 水電解 / 高密度共役 / キラル分子

Outline of Research at the Start

本研究では，「空間反転対称性の破れによるスピン選択性」という新たな原理に基づき，有機分子による電流/スピン流変換システムを創出する。ここでは螺旋分子密度，螺旋ピッチ，螺旋半径が電流/スピン流変換の主たるパラメータであり，これらの最小化が変換効率の向上へと繋がる。従来の電流/スピン流変換学理を変革し，既存の材料を凌駕する破格に高い効率による電流/スピン流変換を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、「空間反転対称性の破れによるスピン選択性(CISS効果)」という新たな原理に基づき、有機分子による電流/スピン流変換システムを創出することを目的としている。
本年度は、二次元層状物質へのキラル分子インターカレーションによるキラル伝導体の創製という新たな着想の元、キラリティと高い伝導性を併せ持つキラルファンデルワールス超格子を創製し、スピン偏極率約95%のほぼ完全なスピン選択性を実現した。
更に、本材料によって生成される高スピン偏極電流を電気化学分野へと応用するスピン依存電気化学の実証に取り組んだ。実際に、スピン偏極電流中においてスピンが平行に揃っていることを利用し、スピン多重度選択的電気化学反応の実現に取り組んだ。具体的には、スピン三重項酸素とスピン一重項過酸化水素の生成が競合する水電解における酸素発生反応において、スピン三重項酸素を優先的に生成し、水電解効率を向上させることに成功した。更に、スピン偏極電流がキラリティを持つことを利用したスピン偏極電流によるエナンチオ選択的電気化学反応の創出にも取り組み、実際にスピン偏極率に依存したエナンチオ選択的電気化学反応を実現した。
また、キラリティを導入した共有結合性有機構造体(COF)の創製にも取り組んだ。リンカー分子のねじれ角度を制御したいくつかのCOFを合成し、そのスピン選択性を評価した結果、リンカー分子のねじれ角とスピン選択性の間に生の相関があることを見出した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、二次元層状物質へのキラル分子インターカレーションによるキラル伝導体の創製という新たな着想の元、キラリティと高い伝導性を併せ持つキラルファンデルワールス超格子を創製し、スピン偏極率約95%のほぼ完全なスピン選択性を実現するなど、当初の目的であった、電流/スピン流変換効率の向上という目的をほぼ達成した。
更に、キラリティを導入した共有結合性有機構造体(COF)の創製にも取り組み、リンカー分子のねじれ角とスピン選択性の間に生の相関があることを見出すなど、新たなスピン偏極材料の設計指針を見出すことができ、おおむね順調に研究計画を遂行することができたと考えらえる。

Strategy for Future Research Activity

本年度に達成した二次元層状物質へのキラル分子インターカレーションや共有結合性有機構造体へのキラリティ導入について、各種パラメータの最適化を行い、100%のスピン偏極率を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 福州大学(中国)
• [Int'l Joint Research] Fuzhou University(中国)
• [Journal Article] Chiral Van Der Waals Superlattices for Enhanced Spin‐Selective Transport and Spin‐Dependent Electrocatalytic Performance (2023)
  • Author(s): Bian Zhiyun、Nakano Yuki、Miyata Keisuke、Oya Ichiro、Nobuoka Masaki、Tsutsui Yusuke、Seki Shu、Suda Masayuki
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 35 Issue: 48 Pages: 2306061-2306061
  • DOI: 10.1002/adma.202306061
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Robustness of semimetallic transport properties of TaAs against off-stoichiometric disorder (2023)
  • Author(s): Kawasuso A.、Suda M.、Murakawa H.、Komada M.、Suzuki C.、Amada H.、Michishio K.、Maekawa M.、Miyashita A.、Seko N.、Yamamoto S.、Oshima N.、Seki S.、Hanasaki N.
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 133 Issue: 22 Pages: 223903-223903
  • DOI: 10.1063/5.0147663
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Highly Durable Spin Filter Switching Based on Self‐Assembled Chiral Molecular Motor (2023)
  • Author(s): Malatong Ruttapol、Sato Takuro、Kumsampao Jakkapan、Minato Taketoshi、Suda Masayuki、Promarak Vinich、Yamamoto Hiroshi M.
  • Journal Title: Small Volume: 19 Issue: 32 Pages: 2302714-2302714
  • DOI: 10.1002/smll.202302714
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hybrid Chiral MoS ₂ Layers for Spin‐Polarized Charge Transport and Spin‐Dependent Electrocatalytic Applications (2022)
  • Author(s): Bian Zhiyun、Kato Kenichi、Ogoshi Tomoki、Cui Zhou、Sa Baisheng、Tsutsui Yusuke、Seki Shu、Suda Masayuki
  • Journal Title: Advanced Science Volume: - Issue: 17 Pages: 2201063-2201063
  • DOI: 10.1002/advs.202201063
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Truxenone Triimide: Two‐Dimensional Molecular Arrangements of Triangular Molecules for Air Stable n‐Type Semiconductors (Adv. Electron. Mater. 7/2022) (2022)
  • Author(s): Kumar Sharvan、Koo Yun Hee、Higashino Tomohiro、Matsuda Wakana、Ghosh Samrat、Tsutsui Yusuke、Suda Masayuki、Imahori Hiroshi、Suzuki Katsuaki、Kaji Hironori、Seki Shu
  • Journal Title: Advanced Electronic Materials Volume: 8 Issue: 7 Pages: 2270033-2270033
  • DOI: 10.1002/aelm.202270033
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optical Conductivity Spectra of Charge-Crystal and Charge-Glass States in a Series of θ-Type BEDT-TTF Compounds (2022)
  • Author(s): Hashimoto Kenichiro、Kobayashi Ryota、Ohkura Satoshi、Sasaki Satoru、Yoneyama Naoki、Suda Masayuki、Yamamoto Hiroshi M.、Sasaki Takahiko
  • Journal Title: Crystals Volume: 12 Issue: 6 Pages: 831-831
  • DOI: 10.3390/cryst12060831
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] スピン偏極電流を生成可能なキラル電極の創製とスピン依存電気化学反応への応用 (2022)
  • Author(s): 辺智芸, 須田理
  • Journal Title: 化学工業 Volume: 73 Pages: 729-734
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] キラル遷移金属ダイカルコゲナイドによるスピン偏極電流の生成と効率的酸素発生反応への応用 (2022)
  • Author(s): 辺智芸, 須田理
  • Journal Title: クリーンエネルギー Volume: 31 Pages: 20-25
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Terahertz-field-induced polar charge order in electronic-type dielectrics (2021)
  • Author(s): Yamakawa H.、Miyamoto T.、Morimoto T.、Takamura N.、Liang S.、Yoshimochi H.、Terashige T.、Kida N.、Suda M.、Yamamoto H. M.、Mori H.、Miyagawa K.、Kanoda K.、Okamoto H.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 953-953
  • DOI: 10.1038/s41467-021-20925-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ubiquitous organic molecule-based free-standing nanowires with ultra-high aspect ratios (2021)
  • Author(s): Kamiya Koshi、Kayama Kazuto、Nobuoka Masaki、Sakaguchi Shugo、Sakurai Tsuneaki、Kawata Minori、Tsutsui Yusuke、Suda Masayuki、Idesaki Akira、Koshikawa Hiroshi、Sugimoto Masaki、Lakshmi G. B. V. S.、Avasthi D. K.、Seki Shu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 4025-4025
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24335-x
  • NAID: 120007142195
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] キラル分子モーターによるスピン偏極電流の生成と外場制御 (2021)
  • Author(s): 須田理行、山本浩史
  • Journal Title: まぐね Volume: 16 Pages: 81-85
• [Journal Article] Bulk Grain-Boundary Materials from Nanocrystals (2021)
  • Author(s): Nagaoka Yasutaka、Suda Masayuki、Yoon Insun、Chen Na、Yang Hanjun、Liu Yuzi、Anzures Brendan A.、Parman Stephen W.、Wang Zhongwu、Gr?nwald Michael、Yamamoto Hiroshi M.、Chen Ou
  • Journal Title: Chem Volume: 7 Issue: 2 Pages: 509-525
  • DOI: 10.1016/j.chempr.2020.12.026
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantum Phase Transition in Organic Massless Dirac Fermion System α-(BEDT-TTF)2I3 under Pressure (2020)
  • Author(s): Yoshinari Unozawa, Yoshitaka Kawasugi, Masayuki Suda, Hiroshi M. Yamamoto, Reizo Kato, Yutaka Nishio, Koji Kajita, Takao Morinari, and Naoya Tajima
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Issue: 12 Pages: 123702-123702
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.123702
  • NAID: 40022436756
  • Peer Reviewed
• [Presentation] キラルファンデルワールス超格子によるキラル物性の開拓 (2024)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: ISSPワークショップ「デバイス活用で臨む有機伝導体の未来」
  • Invited
• [Presentation] 磁性トポロジカル半金属Co2MnGaバルク単結晶の輸送特性 (2024)
  • Author(s): 河裾厚男, 須田理行, 石井史之, 梅津理恵
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] Quantum Griffiths singularity in light-induced 2D superconducting phase on the surface of molecular Mott insulator (2024)
  • Author(s): Bin Chen, Kenichiro Hashimoto, Motoi Kimata, Takahiko Sasaki, Shu Seki, Hiroshi M. Yamamoto, Masayuki Suda
  • Organizer: APS March Meeting 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum Griffiths singularity in light-induced 2D superconducting phase on the surface of molecular Mott insulator (2024)
  • Author(s): Bin Chen, Kenichiro Hashimoto, Motoi Kimata, Takahiko Sasaki, Shu Seki, Hiroshi M. Yamamoto, Masayuki Suda
  • Organizer: CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 須田理行 (2023)
  • Author(s): キラルファンデルワールス超格子による新奇キラル物性の創出
  • Organizer: 第２回未来物質領域セミナー
  • Invited
• [Presentation] Chiral van der Waals Superlattices for Novel Spintronics without Magnet (2023)
  • Author(s): Masayuki Suda
  • Organizer: The 7th Sympo for the CRC for Materials Science and Spintronics and the 6th Sympo on IJGP in Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] キラルファンデルワールス超格子が拓くスピン機能～効率的水電解から超伝導ダイオード効果まで～ (2023)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: 第13回CSJ化学フェスタ テーマ企画「キラル分子が導くオプトエレクトロニクスの新展開～有機分子のキラリティで電子と光を操る～」
  • Invited
• [Presentation] 分子性モット絶縁体表面に光誘起された二次元超伝導相における量子グリフィス特異性 (2023)
  • Author(s): 陳彬, 橋本顕一郎, 木俣基, 佐々木孝彦, 関修平, 山本浩史, 須田理行
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] 分子性モット絶縁体表面に光誘起された二次元超伝導相における量子グリフィス特異性 (2023)
  • Author(s): 陳彬, 橋本顕一郎, 木俣基, 佐々木孝彦, 関修平, 山本浩史, 須田理行
  • Organizer: 第17回分子科学討論会
• [Presentation] キラルファンデルワールス超格子における非相反超伝導 (2023)
  • Author(s): 大宅 一郎, 中野 勇輝, 木俣 基, 関 修平, 須田 理行
  • Organizer: 第17回分子科学討論会
• [Presentation] Chiral van der Waals Superlattices for Spin-dependent Electrochemistry (2023)
  • Author(s): Masayuki Suda
  • Organizer: 10th German-Japanese Symposium on Electrosynthesis
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] キラルファンデルワールス超格子の創製とスピン機能の開拓 (2023)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会・特別企画「次元制御がもたらす電子機能材料の新展開」
  • Invited
• [Presentation] Chiral van der Waals Superlattices for Spintronic Applications: from Efficient Water Splitting to Non-reciprocal Superconductivity (2023)
  • Author(s): Masayuki Suda
  • Organizer: 第87回スピントロニクス専門研究会 「物質のカイラリティが誘起する新奇なスピントロニクス現象」
  • Invited
• [Presentation] キラル物質によるスピン偏極電流の生成と効率的水電解への応用 (2022)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: 応用電子物性分科会研究例会 「カーボンニュートラルを実現する資源・材料技術」
  • Invited
• [Presentation] スピントロニクスとスピン依存電気化学への応用を可能にするキラルMoS2化合物 (2022)
  • Author(s): 辺 智芸, 加藤 研一, 生越 友樹, 崔舟, 薩 百晟, 筒井 祐介, 関 修平, 須田 理行
  • Organizer: 第16回分子科学討論会 2022年9月16日
• [Presentation] 新奇光キャリア注入法の開発と光誘起二次元表面超伝導の創出 (2022)
  • Author(s): 陳 彬 橋本, 顕一郎, 木俣 基, 佐々木, 孝彦 関, 修平, 山本, 浩史, 須田 理行
  • Organizer: 第16回分子科学討論会 2022年9月16日
• [Presentation] k型BEDT-TTFバルク結晶を用いた光駆動型FETの強磁場超伝導相図 (2022)
  • Author(s): 木俣基, 徳永将史, 陳彬, 関修平, 山本浩史, 須田理行, 橋本顕一郎, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 分子の準安定性を利用した電子相制御 (2022)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会シンポジウム「物質中に現れる準安定性の科学：その理解と設計に基づく物性開拓」
  • Invited
• [Presentation] キラル遷移金属ダイカルコゲナイドの創成とスピン機能の開拓 (2022)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: 信州大学先鋭材料研究所 RISMセミナー
• [Presentation] Development of novel photo-carrier injection technique and creation of photo-induced two-dimensional surface superconductivity (2022)
  • Author(s): Bin Chen, Kenichiro Hashimoto, Motoi Kimata, Takahiko Sasaki, Shu Seki, Hiroshi M. Yamamoto, Masayuki Suda
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Creation of Novel Layered Superconductor with Molecular Chirality (2022)
  • Author(s): Ichiro Oya, Shu Seki, Masayuki Suda
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 分子キラリティを利用した新奇スピン偏極材料の創製 (2022)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: 日本化学会第 102春季年会 「高密度共役物質の未来～新しい電子共役から生み出される機能～ 」
  • Invited
• [Presentation] True Chiralityとキラリティ誘起スピン選択性 (2022)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: RIKEN Seminar
  • Invited
• [Presentation] Novel Hybrid Chiral Materials for Spin-polarized Charge Transport and Spin-dependent Electrocatalytic Applications (2022)
  • Author(s): Masayuki Suda
  • Organizer: CEMS Topical Meeting Online: Interplay between Chirality and Magnetism
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高密度共役キラル分子集積体における 高効率電流ースピン流変換 (2022)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: 学術変革領域(A) 高密度共役の科学 第2回公開シンポジウム 2022年1月29日
• [Presentation] キラリティ誘起スピン選択性を利用した新奇スピン偏極材料の創出 (2021)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: 第80回スピントロニクス専門研究会「化学を使ったスピン材料と物性」
  • Invited
• [Presentation] キラリティ誘起スピン選択制を利用した新奇スピン偏極材料の創出と電気化学応用 (2021)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: 日本学術振興会181委員会第37回研究会「先端電子材料」
  • Invited
• [Presentation] 分子キラリティによる電流/スピン流変換機能の創出 (2021)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: 第８回慶應有機化学若手シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Charge-to-Spin Current Conversion by Chiral Molecules (2021)
  • Author(s): Masayuki Suda
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会・アジア国際シンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 分子キラリティによる電流/スピン流変換機能の創出 (2020)
  • Author(s): 須田理行
  • Organizer: 第943回分子研コロキウム
  • Invited
• [Remarks] 一方向のスピンのみを選択的に伝導するキラル金属電極材料を開発
  • URL: https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/20230921-3
• [Remarks] 電流中の“スピン”の制御により水電解の効率化を実現―水素エネルギーによる持続可能な社会へ大きく貢献―
  • URL: https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/20220506
• [Remarks] 電流中の“スピン”の制御により水電解の効率化を実現
  • URL: https://www.jst.go.jp/pr/announce/20220502/pdf/20220502.pdf
• [Patent(Industrial Property Rights)] スピン偏極電流を生成する導電性構造体、それを用いた電極及び方法 (2021)
  • Inventor(s): 須田理行・山本浩史
  • Industrial Property Rights Holder: 須田理行・山本浩史
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-083466
  • Filing Date: 2021