有機へテロ接合界面で生じる電荷移動現象と機能性

• Project/Area Number: 19K05396
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 32020:Functional solid state chemistry-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 高橋 幸裕 北海道大学, 理学研究院, 助教 (40443197)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 有機導体 / 表面・界面物性 / 分子性固体 / 電荷移動錯体

Outline of Research at the Start

本研究は，原油廃棄物や大量の合成法が確立している安価な分子結晶の表面を希少元素の代替とする可能性を模索する．これまでの単結晶を用いた模擬的な実験により，異なる分子の結晶を物理的に接触させた界面には，伝導や磁性の源となるスピンが生じていることを明らかにした．本研究ではこのスピンをさらに効率的に発生させる条件，ならびにスピンが動く条件を詳細な実験により明らかにし，有機結晶の表面に磁性機能，透明電極，メモリー等の機能を付与することを目的としている．

Outline of Annual Research Achievements

電子供与性分子（ドナー）と電子受容性分子（アクセプター）結晶を貼り合わせるように接触させると，お互いが真性半導体であるにも関わらずその接触界面の電気伝導性は向上する。これは，これまでの界面にて相互の電荷の移動が生じ，界面分子の電子構造が開殻化した為であることが，これまでの我々の電子スピン共鳴を用いた研究によって確かめられている。このことからドナー/アクセプター分子接触界面で，機能の源となる不対電子やスピンが生じており，この分子を接触させるという単純かつ安価な方法で，様々な機能を発現させることができることを示唆している。この現象は，現在世界中で精力的に行われている軽量で折り曲げ可能な分子性の材料を用いた低コストデバイス開発を実現する一つの手法として利用できるの可能性があり，例えば原油からの廃棄物などで材料開発が行えれば，極めて低コストのデバイス開発が可能になる。本研究では，分子固体の接触界面で乗じる電荷移動現象を理解し，機能を探索する研究を行っている。
（１）ポルフィリン系化合物/F2TCNQ界面で生じる電荷移動
前年度に学術論文としてCrystEngComm誌に掲載されたポルフィリン系化合物とTCNQ誘導体の接触界面で生じる電荷移動現象を薄膜化した試料においても実現可能かを確かめた。
（２）安価な分子同士界面で生じる高電導性
引き続き１０００円/gの安価な物質を対象として，接触界面が高電導化する物質探索を行った。その結果，フタロシアニン系化合物とベンゾキノン系化合物の組み合わせがデバイスとしてより汎用的な形状である薄膜状態でも高電導性を示した。

Research Products

• [Journal Article] Charge injection phenomena at the contact interface between (5,10,15,20-tetramethylporphyrinato)cobalt(<scp>ii</scp>) and 2,5-difluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane single crystals (2021)
  • Author(s): Takahashi Yukihiro、Ishida Kenshiro、Matsuno Sarasa、Kurokawa Masashi、Shimada Takuro、Harada Jun、Inabe Tamotsu
  • Journal Title: CrystEngComm Volume: 23 Issue: 22 Pages: 3975-3980
  • DOI: 10.1039/d1ce00299f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electric and Thermosalient Properties of a Charge-Transfer Complex Exhibiting a Minor Valence Instability Transition (2020)
  • Author(s): Takahashi Yukihiro、Kondo Tsubasa、Yokokura Seiya、Takehisa Mika、Harada Jun、Inabe Tamotsu、Matsushita Michio M.、Awaga Kunio
  • Journal Title: Crystal Growth & Design Volume: 20 Issue: 7 Pages: 4758-4763
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.0c00516
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Incorporating Spacer Molecules into the Tetrathiafulvalene?p-Chloranil Charge-Transfer Framework: Modulating the Neutral?Ionic Phase Transition (2020)
  • Author(s): Takahashi Yukihiro、Takehisa Mika、Tanaka Eri、Harada Jun、Kumai Reiji、Inabe Tamotsu
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 11 Issue: 4 Pages: 1336-1342
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b03847
  • Peer Reviewed
• [Presentation] フタロシアニン銅とキノン系化合物のヘテロ薄膜接触界面で生じる高伝導性 (2022)
  • Author(s): 宮田 拓馬，高橋 幸裕，原田 潤
  • Organizer: 日本化学会北海道支部2022年冬季研究発表会
• [Presentation] ジベンゾチオフェンとキノン系化合物結晶の接触界面で生じる電荷移動 (2021)
  • Author(s): 宮田 拓馬，高橋 幸裕，原田 潤
  • Organizer: 第15回分子科学討論会2021札幌
• [Presentation] TTFとクロラニルを含む多様な多成分系電荷移動錯体 (2019)
  • Author(s): 高橋 幸裕，竹久 美佳，田中 恵里，原田 潤，稲辺 保
  • Organizer: 第13回分子科学討論会2019