Investigation of possibility of single molecule photochromic reactions with plasmonic effect

• Project/Area Number: 20H02717
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 32020:Functional solid state chemistry-related
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: SHIMIZU Tomoko 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (00462672)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2021: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2020: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
• Keywords: 走査型トンネル顕微鏡 / フォトクロミック分子 / 単分子反応 / 自己組織化 / ジアリールエテン分子 / 分子クラスター / 走査型プローブ顕微鏡 / 光反応 / プラズモン効果 / 光異性化反応

Outline of Research at the Start

１つの分子を1ビットとした有機メモリデバイスの実現のため、高いプラズモン効果を有する金属基板にフォトクロミック分子の一種であるジアリールエテンを規則正しく配列させ、個々の分子の光異性化反応を制御できるか検証する。ジアリールエテンは２つの異性体の熱安定性が高く室温動作が見込まれる。加えて、一部の金属基板上では均一単分子膜の形成が可能であることが示されている。本研究では、走査型プローブ顕微鏡のプローブ探針と金属基板が作り出すナノギャップに分子を位置させることでプラズモン効果により反応効率を高めオン－オフ制御を実現し、プローブ顕微鏡の種々の分光により２つの異性体の状態判別法を確立することを目指す。

Outline of Final Research Achievements

The aim of this study was to investigate the possibility of single-molecule switching of one of the photochromic molecules called diarylethene. Using scanning tunneling microscopy (STM), we performed experiments such as light irradiation and electron injection to single diarylethene molecules adsorbed on copper and silver surfaces.
We found that isomerization reactions are likely hampered when molecules are assembled to form monolayers or clusters. We also observed that dissociation competes with the isomerization reactions even when the molecules are isolated from one another.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、有機分子1個を1ビットとした有機メモリの実現に不可欠な要素技術の検証という意義があった。密に規則正しく分子を並べることは大容量の観点で重要であるが、同時に分子同士の相互作用がスイッチング現象に影響を及ぼすことが明らかとなった。電極金属との相互作用も重要なファクターである。このような詳細は、近未来のデバイス創成における基礎情報として重要であると同時に、表面化学分野における興味深い現象を発見したという意味でも重要である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 蔚山大学校/全南大学校(韓国)
• [Int'l Joint Research] 蔚山大学校/全南大学校(韓国)
• [Journal Article] Stability and formation process of hydrogen-bonded organic porous thin films: A molecular dynamics study (2022)
  • Author(s): Kazuma Matsui, Hiroshi Watanabe, Tomoko K. Shimizu
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 12 Issue: 10 Pages: 105109-105109
  • DOI: 10.1063/5.0106036
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evidence of One-Dimensional Channels in Hydrogen-Bonded Organic Porous Thin Films Fabricated at the Air/Liquid Interface (2022)
  • Author(s): Yamanami Kanae、Fujita Yuto、Matsui Kazuma、Asari Ryu、Kusawake Tomoko、Shimizu Tomoko K.
  • Journal Title: Langmuir Volume: 38 Issue: 5 Pages: 1910-1914
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c03176
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 相互作用を理解する：機能性有機分子の自己組織化 (2022)
  • Author(s): 清水智子
  • Organizer: 日本表面真空学会・マイクロビームアナリシス技術部会第9回研究会
  • Invited
• [Presentation] Structural Characterization and Self-assembling Mechanism of Hydrogen-Bonded Organic Porous Thin Films (2022)
  • Author(s): Kanae Yamanami, Kazuma Matsui, Yuto Fujita, Ryu Asari, Tomoko Kusawake, Tomoko K. Shimizu
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nanoscale structural analysis of porous organic thin films fabricated at the air/liquid interface (2022)
  • Author(s): Yuto Fujita, Kanae Yamanami, Ryu Asari, Kazuma Matsui, Tomoko Kusawake, Tomoko K.Shimizu
  • Organizer: 14th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices ’22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-resolution scanning probe microscopy to bridge the “materials gap” (2022)
  • Author(s): Tomoko K. Shimizu
  • Organizer: 14th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices ’22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single-molecule reactions of diarylethene induced by tunneling electron injection (2022)
  • Author(s): Hirokazu Sato, Lee Minhui, Emiko Kazuma, Yousoo Kim, Tomoko K. Shimizu
  • Organizer: 14th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices ’22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 銅表面に吸着したジアリールエテンの単分子反応 (2022)
  • Author(s): 佐藤裕和, 李民喜, 數間恵弥子, 金有洙, 清水智子
  • Organizer: 日本表面真空学会2022年度関東支部講演大会
• [Presentation] 気液界面上で自己組織化した多孔性有機薄膜の構造と膜厚依存性の評価 (2022)
  • Author(s): 藤田優人, 山波 加苗, 浅里 隆, 松井 一 真, 艸分倫子, 清水 智子
  • Organizer: 日本表面真空学会2022年度関東支部講演大会
• [Presentation] How to bridge the materials gap in high resolution STM/AFM (2021)
  • Author(s): Tomoko K, Shimizu
  • Organizer: 1st IMS(Institute for Molecular Science)-FHI(Fritz-Haber Institute) Symposium -Emerging Techniques of Scanning Probe Microscopy-
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effect of molecule-substrate interaction on the adsorption of meso-dibenzo porphycene tautomers studied by scanning probe microscopy (2021)
  • Author(s): Tomoko K, Shimizu
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular dynamics simulation of hydrogen-bonded porous nanosheets (2021)
  • Author(s): Kazuma Matsui, Kanae Yamanami, Hiroshi Watanabe, Tomoko K. Shimizu
  • Organizer: 13th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices ’21,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nanoscale characterization of porous organic thin films fabricated at the air/liquid interface (2021)
  • Author(s): Kanae Yamanami, Kazuma Matsui, Ryu Asari, and Tomoko K. Shimizu
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 気液界面上で自己組織化した多孔性有機薄膜の膜厚評価 (2021)
  • Author(s): 藤田優人, 山波 加苗, 浅里 隆, 松井 一 真 , 清水 智子
  • Organizer: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [Presentation] Structures and reactions of adsorbed molecules studied by high-resolution scanning probe microscopy (2020)
  • Author(s): Ｔomoko K. Shimizu
  • Organizer: The 3rd Workshop of the Reaction Infography (R-ing) Unit
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] STMとAFMによる表面に吸着した機能性有機分子の構造・物性解析 (2020)
  • Author(s): 清水智子
  • Organizer: 分子系の複合電子機能第181委員会第35回研究会
  • Invited
• [Remarks] 慶應義塾大学理工学部 物理情報工学科清水研究室
  • URL: https://shimizu.appi.keio.ac.jp/