共有結合的分子間相互作用をもつ開殻π共役分子集合系の非線形光学物性の理論的研究

• Project/Area Number: 15J05489
• 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: 松井 啓史 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 開殻性 / 分子間相互作用 / 非線形光学物性 / 第二超分極率 / 非線形光学 / π電子 / ジラジカル

Outline of Annual Research Achievements

チアジルラジカルの1次元多量体について分子集合系構造・スピン状態・開殻性と第二超分極率（γ）の相関を検討することで、チアジルラジカルの一次元マルチラジカル系の非線形光学材料としての有用性を明らかにするとともに、一次元マルチラジカル系への具体的な設計指針の構築に成功した。また、同様の共有結合的分子間相互作用を有する系において外部静電場印加強度が非線形光学物性に与える影響を検討し、従来理論モデルで予測されていた開殻系への非対称性の導入による非線形光学物性の増大を具体的な分子系でも起こることを明らかにするとともに、外部静電場による非線形光学物性の制御可能性を示した。加えて、計算手法における難点から従来解析が困難であった長方形型テトララジカル系の電子状態とγの相関について、局所的な開殻性という新たな指標を用いてモデルハミルトニアンを解析することで、その相関を包括的に解明し、従来知られていなかったγの新たな増大領域を発見したのみならず、γを増大させるための具体的な分子設計指針の構築に成功した。これにより、共有的分子間相互作用を有するジラジカル分子二量体が非線形光学材料としての有望性が新たに明らかとなり、γと分子構造の電子状態を介した相関がが包括的に解明された。
これらの成果は、共有結合的分子間相互作用を有する分子集合系が従来系を凌ぐ非線形光学材料となる可能性を新たに示したことに加えて、非線形光学物性を増大させるための指針を明らかにした。これらの成果は国際的な学術雑誌に筆頭著者論文として報告した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ナミュール大学(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] ナミュール大学(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] University of Namur(ベルギー)
• [Journal Article] Theoretical study on third-order nonlinear optical property of one-dimensional cyclic thiazyl radical aggregates: intermolecular distance, open-shell nature, and spin state dependences (2018)
  • Author(s): H. Matsui, M. Yamane, T. Tonami, M. Nakano, M. de Wergifosse, T. Seidler, B. Champagne
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 122 Issue: 12 Pages: 6779-6785
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b11319
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Theoretical study on gigantic effect of external static electric field application on nonlinear optical properties of 1,2,3,5-dithiadiazolyl π-radical dimer (2018)
  • Author(s): Hiroshi Matsui, Masaki Yamane, Takayoshi Tonami, Takanori Nagami, Kenichiro Watanabe, Ryohei Kishi, Yasutaka Kitagawa, and Masayoshi Nakano
  • Journal Title: Mater. Chem. Front. Volume: 2 Issue: 4 Pages: 785-790
  • DOI: 10.1039/c7qm00549k
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Open-Shell Character Dependences of Second Hyperpolarizability in Two-Dimensional Tetraradicaloids (2018)
  • Author(s): H. Matsui, S. Ito, M. Nakano
  • Journal Title: J. Phys. Chem. A Volume: 122 Issue: 14 Pages: 3680-3687
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.7b12456
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical Study on the Open-Shell Singlet Nature and the Second Hyperpolarizabilities of Corannulene Derivatives with Two Phenoxyl Radicals (2017)
  • Author(s): Y. Minamida, H. Matsui, K. Fukuda, T. Nagami, J.-y. Fujiyoshi, K. Yoneda, S. Takamuku, R. Kishi, Y. Kitagawa, M. Nakano
  • Journal Title: J. Phys. Chem. A Volume: 121 Issue: 21 Pages: 4171-4179
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.7b03014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical Study on the Spin State and Open-Shell Character Dependences of the Second Hyperpolarizability in Hydrogen Chain Models (2016)
  • Author(s): H. Matsui, M. Nakano, B. Champagne
  • Journal Title: Phys. Rev. A Volume: 94 Issue: 4 Pages: 042515-042515
  • DOI: 10.1103/physreva.94.042515
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Theoretical Study on the Second Hyperpolarizailities of One-Dimensional Systems Composed of Carbon and Silicon π-Structures (2016)
  • Author(s): H. Matsui, T. Nagami, S. Takamuku, S. Ito, Y. Kitagawa, M. Nakano
  • Journal Title: Molecules Volume: 21 Issue: 11 Pages: 1540-1540
  • DOI: 10.3390/molecules21111540
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Open-Shell Singlet Nature and σ-/π-Conjugation Effects on the Third-Order Nonlinear Optical Properties of Si Chains: Polysilane and Poly(disilene-1,2-diyl) (2016)
  • Author(s): H. Matsui, K. Fukuda, S. Ito, T. Nagami, M. Nakano
  • Journal Title: J. Phys. Chem. A Volume: 120 Issue: 6 Pages: 948-955
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.5b11895
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Relationship between open-shell singlet nature and second hyperpolarizability in rectangular-shaped tetraradical model systems (2018)
  • Author(s): Matsui Hiroshi, Yamane Masaki, Tonami Takayoshi, Nakano Masayoshi
  • Organizer: 日本化学会第98春季年会
• [Presentation] Theoretical study on the effect of applying external static electric field on nonlinear optical properties of π-stacking radical multimers (2017)
  • Author(s): Hiroshi Matsui, Koki Watanabe, Takanori Nagami, Shota Takamuku, Yasutaka Kitagawa, Masayoshi Nakano
  • Organizer: 日本化学会第97回年会
  • Place of Presentation: 慶応大学日吉キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] Effect of static electric field application on nonlinear optical properties of 1,2,3,5-dithiadiazolyl π-radical aggregates (2017)
  • Author(s): Hiroshi Matsui, Naoyuki Matsushita, Takanori Nagami, Masayoshi Nakano
  • Organizer: The 10th International Conference on Computational Physics (ICCP10)
  • Place of Presentation: Macau
  • Year and Date: 2017-01-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Relationship between Open-Shell Character and Third-Order Nonlinear Optical Properties in Rectangular-Shaped Tetraradical Model Systems (2017)
  • Author(s): Matsui Hiroshi, Takamuku Shota , Kishi Ryohei, Champagne Benoit , Nakano Masayoshi
  • Organizer: 11th Triennial Congress of the World Association of Theoretical and Computational Chemists (WATOC 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 1次元πラジカル多量体の非線形光学物性に対する静電場印加効果 (2017)
  • Author(s): 松井啓史，渡部晃希，永海貴識，山根正暉，岸亮平，中野雅由
  • Organizer: 第11回分子科学討論会
• [Presentation] πラジカル多量体の非線形光学物性への静電場印加効果 (2017)
  • Author(s): 松井 啓史，渡部 晃希，中野 雅由
  • Organizer: 第20回理論化学討論会
• [Presentation] 拡張ハバードモデルを用いたジラジカル分子二量体の一重項開殻性と三次非線形光学物性の相関についての理論研究 (2017)
  • Author(s): 松井啓史，中野雅由
  • Organizer: π造形科学 第４回公開シンポジウム
• [Presentation] Second Hyperpolarizability of One-Dimensional π-Conjugated Systems Involving Si=Si Double Bonds (2016)
  • Author(s): Hiroshi Matsui, Yasutaka Kitagawa, Masayoshi Nakano
  • Organizer: Japan-France-Spain Joint-Symposium on Theoretical and Computational Science of Complex Systems
  • Place of Presentation: Kyoto
  • Year and Date: 2016-10-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Si-Si二重結合を含む一次元π共役系の第二超分極率の理論研究 (2016)
  • Author(s): 松井 啓史, 松下 尚之, 福田 幸太郎, 伊藤 聡一, 永海 貴識, 中野 雅由
  • Organizer: 新学術領域「π造形科学」第３回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2016-10-20
• [Presentation] πラジカル二量体の非線形光学物性に対する静電場印加効果の理論研究 (2016)
  • Author(s): 松井 啓史，松下 尚之，福田 幸太郎，南田 有加，永海 貴識，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
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Theoretical Study on Open-Shell Nature and σ-/π-Conjugation Effects on the Third-Order Nonlinear Optical Properties of One-Dimensional Si Chains (2016)
  • Author(s): Hiroshi Matsui, Kotaro Fukuda, Soichi Ito, Takanori Nagami, Masayoshi Nakano
  • Organizer: The International Conference on Science and Technology of Synthetic Metals in 2016 (ICSM2016)
  • Place of Presentation: GuangZhou
  • Year and Date: 2016-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 一次元シリコン鎖の三次非線形光学物性に対するジラジカル性およびσ/π 共役の効果 (2016)
  • Author(s): 松井 啓史, 伊藤 聡一, 永海 貴識, 藤吉 純也, 岸 亮平, 中野 雅由
  • Organizer: 第１９回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 早稲田大学 西早稲田キャンパス
  • Year and Date: 2016-05-23
• [Presentation] 一次元シリコン鎖におけるジラジカル性およびσ/π共役の三次非線形光学物性に対する効果の理論的研究 (2016)
  • Author(s): 松井 啓史, 福田 幸太郎, 永海 貴識, 藤吉 純也, 岸 亮平, 中野 雅由
  • Organizer: 新学術領域「感応性化学種が拓く新物質科学」第６回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 広島大学
  • Year and Date: 2016-05-20
• [Presentation] シリコン鎖の三次非線形光学物性に対する開殻性とσ/π共役の効果の理論的研究 (2016)
  • Author(s): 松井啓史, 福田幸太郎, 伊藤聡一, 藤吉純也, 永海貴識, 中野雅由
  • Organizer: 日本化学会第96春期年会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス（京都府京田辺市）
  • Year and Date: 2016-03-24
• [Presentation] 一次元シリコン鎖の第二超分極率における開殻性とσ/π共役の効果 (2016)
  • Author(s): 松井啓史, 福田幸太郎, 伊藤聡一, 藤吉純也, 永海貴識, 泉志旺, 岸亮平, 中野雅由
  • Organizer: 第13回京都大学福井謙一記念研究センターシンポジウム
  • Place of Presentation: 京都大学福井謙一記念研究センター（京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-02-05
• [Presentation] Theoretical study on open-shell singlet nature and nonlinear optical properties of π-stacked thiazyl radical multimers (2015)
  • Author(s): Hiroshi Matsui, Kotaro Fukuda, Kyohei Yoneda, Masayoshi Nakano
  • Organizer: Pacifichem2015
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center, Honolulu (USA)
  • Year and Date: 2015-12-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ケイ素–ケイ素結合を含む共役系の開殻性と三次非線形光学物性についての理論研究 (2015)
  • Author(s): 松井啓史, 福田幸太郎, 永海貴識, 中野雅由
  • Organizer: 第9回分子科学討論会2015
  • 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] πスタック型チアジルラジカル多量体の開殻一重項性と第二超分極率 (2015)
  • Author(s): 松井啓史, 福田幸太郎, 米田京平, 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（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2015-05-20