量子化学に基づくシングレットフィッションの機構解明と分子設計指針の確立

• Project/Area Number: 14J04505
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Physical chemistry
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 伊藤 聡一 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: シングレットフィッション / 励起状態 / 分子集合系 / 分子間相互作用 / 量子ダイナミクス / 一重項開殻 / 太陽電池 / 量子化学 / 電子カップリング / 振電カップリング / 有機太陽電池 / ジラジカル / 分子設計

Outline of Annual Research Achievements

シングレットフィッション(singlet fission, 以下SF)は、分集合体中で起きる、光励起状態における過程の一種である。そこでは、可視/紫外光によって励起された分子(一重項励起子)が近くの基底状態にある分子と相互作用することにより、それら二分子ともが三重項励起子(三重項対状態)となる。この、一つの励起子から二つの励起子を生成する過程を生かして、有機太陽電池の光電変換効率の向上が期待されている。
平成26年度より継続して本研究を行い、高効率なSF実現の為の理論設計指針を構築してきた。ここには、(i) 分子レベルでの一重項/三重項対のエネルギー準位が適合する分子の設計、(ii) 分子間の電子相互作用の分子配向や橋(後述)の設計、(iii) 振電カップリングの設計、などが含まれる。これらの複合的な作用によって全体のSFダイナミクスが決まる。平成28年度の研究では、特に(ii)電子相互作用に関する研究において、分子内と分子間SFのそれぞれについて進展があった。前者では複数架橋体へと拡張を行い、エネルギー準位の系統的な設計に成功した。後者では、新規なクラスの物質系(パンケーキ結合系)のSFへの高いポテンシャルを示した。これはSFの物質科学領域を大きく広げるものと期待される。ダイナミクスに関しては、マスター方程式を用いた量子ダイナミクスを行うことでSFへの電子・振電カップリングの与える影響を実時間シミュレーションすることで明らかにした。また、昨年度の研究報告書において報告した、縮環炭化水素の芳香環・立体障害によるねじれの導入による新規SF分子の設計、量子干渉効果を用いた分子内SFの設計については28年度に論文としてそれぞれ出版した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Singlet Fission in Pancake-Bonded Systems (2017)
  • Author(s): S. Ito, T. Nagami, M. Nakano
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 19 Issue: 8 Pages: 5737-5745
  • DOI: 10.1039/c6cp07641f
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Diradical Character Based Design for Singlet Fission of Bisanthene Derivatives: Aromatic-Ring Attachment and π-Plane Twisting (2016)
  • Author(s): S. Ito, T. Nagami, M. Nakano
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 7 Issue: 19 Pages: 3925-3930
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b01885
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Design Principles of Electronic Couplings for Intramolecular Singlet Fission in Covalently-linked Systems (2016)
  • Author(s): Soichi Ito, Takanori Nagami, Masayoshi Nakano
  • Journal Title: J. Phys. Chem. A Volume: 120 Issue: 31 Pages: 6236-6241
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.6b07153
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Quantum Master Equation Approach to Singlet Fission Dynamics of Realistic/Artificial Pentacene Dimer Models: Relative Relaxation Factor Analysis (2016)
  • Author(s): M. Nakano, S. Ito, T. Nagami, Y. Kitagawa, and T. Kubo
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 120 Issue: 40 Pages: 22803-22815
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b06402
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Density Analysis of Intra- and Inter-Molecular Vibronic Couplings Toward Bath Engineering for Singlet Fission (2015)
  • Author(s): S. Ito, T. Nagami, M. Nakano
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 6 Issue: 24 Pages: 4972-4977
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b02249
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Theoretical Molecular Design of Heteroacenes for Singlet Fission: Tuning the Diradical Character by Modifying π-Conjugation Length and Aromaticity (2015)
  • Author(s): Soichi Ito, Masayoshi Nakano
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 119 Issue: 1 Pages: 148-157
  • DOI: 10.1021/jp5103737
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 共有結合二量体のシングレットフィッションダイナミクスの理論研究 (2016)
  • Author(s): 伊藤 聡一, 永海 貴識, 久保 孝史, 中野 雅由
  • Organizer: 第10回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 神戸ファッションマート (兵庫県・神戸市)
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Theoretical Study of Electronic Coupling in Covalently-Linked Systems and Proposal of Design Guidelines for Intramolecular Singlet Fission (2016)
  • Author(s): Soichi Ito
  • Organizer: 第48回構造有機化学若手の会
  • Place of Presentation: 白浜荘(滋賀県・高島市)
  • Year and Date: 2016-08-04
• [Presentation] Theoretical Design of Intramolecular Singlet Fission for Covalently-linked Systems (2016)
  • Author(s): Soichi Ito, Takanori Nagami, Takashi Kubo, Masayoshi Nakano
  • Organizer: The International Conference on Science and Technology of Synthetic Metals in 2016 (ICSM2016)
  • Place of Presentation: GuangZhou (China)
  • Year and Date: 2016-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic coupling analysis and design in covalently-linked singlet fission systems (2016)
  • Author(s): Soichi Ito, Takanori Nagami, Takashi Kubo, Masayoshi Nakano
  • Organizer: Singlet Fission 2016 Workshop
  • Place of Presentation: Peaceful Valley Ranch and Conference Center, Lyons, Colorado (USA)
  • Year and Date: 2016-06-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis and Design of Electronic Coupling in Covalently-linked Singlet Fission Systems (2016)
  • Author(s): Soichi Ito, Takanori Nagami, Takashi Kubo, Masayoshi Nakano
  • Organizer: 1st International Symposium on Photosynergetics
  • Place of Presentation: 大阪大学(大阪府・豊中市)
  • Year and Date: 2016-06-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of Intramolecular Singlet Fission by Bridge-Mediated Electronic Coupling Analysis (2016)
  • Author(s): Soichi Ito
  • Organizer: Joint Seminar of Japan - F.R.S.-FNRS Research Cooperative Program:”Quantum chemical design of open-shell nonlinear optical materials”
  • Place of Presentation: Namur, Belgium
  • Year and Date: 2016-03-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 共有結合二量体のシングレットフィッションにおける through-space, through- bond カップリング (2016)
  • Author(s): 伊藤 聡一, 永海貴識, 久保孝史, 中野雅由
  • Organizer: 新学術領域研究「高次複合光応答分子システムの開拓と学理の構築」平成27年度 第5回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス シグマホール (大阪府豊中市)
  • Year and Date: 2016-01-23
• [Presentation] Electronic Coupling Design in Intramolecular Singlet Fission (2016)
  • Author(s): Soichi Ito, Takanori Nagami, Takashi Kubo, Masayoshi Nakano
  • Organizer: Workshop on New π-Electronic Systems: Theory and Experiments
  • Place of Presentation: 大阪大学(大阪府・豊中市)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical study on singlet fission in polyaromatic hydrocarbon dimers: electronic and vibronic coupling (2015)
  • Author(s): Soichi Ito, Masayoshi Nakano
  • Organizer: Pacifichem2015
  • Place of Presentation: Honolului, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 縮環炭化水素における置換基効果およびねじれを利用したジラジカル因子の制御とシングレットフィッション分子の理論設計 (2015)
  • Author(s): 伊藤 聡一, 永海 貴識, 久保 孝史, 中野 雅由
  • Organizer: 第５回量子化学ウインタースクール～基礎理論～TCCIウインターカレッジ：量子化学
  • Place of Presentation: 分子科学研究所 (愛知県岡崎市)
  • Year and Date: 2015-11-16
• [Presentation] シングレットフィッション分子の理論設計：縮環炭化水素における置換基/ねじれを利用したジラジカル因子の制御 (2015)
  • Author(s): 伊藤 聡一, 永海 貴識, 久保 孝史, 中野 雅由
  • Organizer: 第9回分子科学討論会2015東京
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス (東京都目黒区)
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Theoretical molecular design for singlet fission based on the diradical character: tetrathiafulvalene and bisimidazol diradicals (2015)
  • Author(s): Soichi Ito, Naoto Ito and Masayoshi Nakano
  • Organizer: 250st American Chemical Society National Meeting
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2015-08-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] テトラセン二量体におけるシングレットフィッションの振電相互作用解析 (2015)
  • Author(s): 伊藤 聡一, 中野 雅由
  • Organizer: 新学術領域研究「高次複合光応答分子システムの開拓と学理の構築」第一回若手の会
  • Place of Presentation: ホテルコスモスクエア国際交流センター (大阪府大阪市)
  • Year and Date: 2015-07-31
• [Presentation] Vibronic Coupling and Its Microscopic Analysis of Singlet Fission in Tetracene Dimer (2015)
  • Author(s): Soichi Ito
  • Organizer: JSPS (Japan)-F.R.S.-FNRS Bilateral Programs, Joint Research Projects
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • Year and Date: 2015-07-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Vibronic Coupling Density Analysis of Singlet Fission in Tetracene Dimer (2015)
  • Author(s): Soichi Ito, Masayoshi Nakano
  • Organizer: Singlet Fission Workshop 2015
  • Place of Presentation: Lyons, USA
  • Year and Date: 2015-06-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 一重項分裂初期過程の量子ダイナミクス：振電相互作用の効果 (2015)
  • Author(s): 伊藤 聡一, 中野 雅由
  • Organizer: 第18回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス 大阪大学会館 (大阪府豊中市)
  • Year and Date: 2015-05-20
• [Presentation] 一重項分裂に対する強い振電相互作用効果の量子波束動力学法による研究 (2015)
  • Author(s): 伊藤 聡一, 伊藤 直人, 中野 雅由
  • Organizer: 日本化学会 第95春季年会
  • Place of Presentation: 日本大学 理工学部船橋キャンパス/薬学部 (千葉県, 船橋市)
  • Year and Date: 2015-03-26 – 2015-03-29
• [Presentation] ジラジカル因子に基づく高効率一重項分裂分子の理論設計：ヘテロアセン分子のπ共役長と芳香族性による制御 (2015)
  • Author(s): 伊藤 聡一, 中野 雅由
  • Organizer: 新学術領域研究「高次複合光応答分子システムの開拓と学理の構築」第2回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 千里ライフサイエンスセンター (大阪府, 豊中市)
  • Year and Date: 2015-01-23 – 2015-01-24
• [Presentation] Singlet exciton fission induced by rapid intramolecular vibration in tetracene dimer (2014)
  • Author(s): 伊藤 聡一, 中野 雅由
  • Organizer: 第９回協定講座シンポジウム「計算生物学と材料科学の融合III」
  • Place of Presentation: 神戸大学統合研究拠点 (兵庫県, 神戸市)
  • Year and Date: 2014-12-22
• [Presentation] Diradical Character Based Design of Heteroacenes for Efficient Singlet Fission (2014)
  • Author(s): Soichi Ito, Naoto Ito, Masayoshi Nakano
  • Organizer: The 2nd International Symposium for Young Chemists on Stimuli-Responsive Chemical Species for the Creation of Functional Molecules
  • Place of Presentation: Engineering Science International Building (大阪府, 豊中市)
  • Year and Date: 2014-12-09 – 2014-12-10
• [Presentation] Singlet Fission Induced by Rapid Molecular Vibrations in Tetracene Dimer (2014)
  • Author(s): Soichi Ito, Masayoshi Nakano
  • Organizer: The 1st International Symposium on Interactive Materials Science Cadet Program (iSIMSC)
  • Place of Presentation: Hotel Hankyu Expo Park (大阪府, 吹田市)
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-19
• [Presentation] テトラセン二量体のシングレットフィッションにおける二電子励起状態に関する振電相互作用の研究 (2014)
  • Author(s): 伊藤 聡一, 中野 雅由
  • Organizer: 第8回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス (広島県, 東広島市)
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-23
• [Presentation] Molecular vibrations induce efficient singlet fission in tetracene/pentacene dimers (2014)
  • Author(s): Soichi Ito, Masayoshi Nakano
  • Organizer: Seminar at the University of Namur
  • Place of Presentation: The University of Namur (Namur, Belgium)
  • Year and Date: 2014-09-18
• [Presentation] Energy crossing between excited states through inter/intramolecular motions in tetracene and pentacene dimers in singlet fission (2014)
  • Author(s): Soichi Ito, Masayoshi Nakano
  • Organizer: 16th European Seminar on Computational Methods in Quantum Chemistry (ESCMQC XVI) 2014
  • Place of Presentation: Domaine Ol Fosse d’Out (Houffalize, Belgium)
  • Year and Date: 2014-09-10 – 2014-09-13
• [Presentation] Singlet fission in tetracene dimer: Energy crossing between singly and doubly excited states (2014)
  • Author(s): Soichi Ito, Masayoshi Nakano
  • Organizer: ICSM 2014
  • Place of Presentation: LOGOMO (Turku, Finland)
  • Year and Date: 2014-07-01 – 2014-07-05
• [Presentation] Singlet fission in tetracene: Energy crossing between singly and doubly excited states in tetracene dimer (2014)
  • Author(s): Soichi Ito, Masayoshi Nakano
  • Organizer: Singlet Fission Workshop 2014
  • Place of Presentation: Peaceful Valley Ranch and Conference Center (Lyons, USA)
  • Year and Date: 2014-06-21 – 2014-06-24
• [Presentation] シングレットフィッション初期過程における分子振動が及ぼす二量体励起状態への効果 (2014)
  • Author(s): 伊藤 聡一, 中野 雅由
  • Organizer: 第17回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋大学東山キャンパス (愛知県, 名古屋市)
  • Year and Date: 2014-05-22 – 2014-05-24
• [Remarks] 大阪大学基礎工学研究科 量子化学工学グループHP
  • URL: http://www.cheng.es.osaka-u.ac.jp/nakano/result.html