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2017 Fiscal Year Annual Research Report

単一π造形システムの物性解明

Planned Research

Project Areapi-System Figuration: Control of Electron and Structural Dynamism for Innovative Functions
Project/Area Number 26102013
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

木口 学  東京工業大学, 理学院, 教授 (70313020)

Project Period (FY) 2014-07-10 – 2019-03-31
Keywords単分子接合 / パイ造形分子
Outline of Annual Research Achievements

本年度は単一π造形分子の伝導特性と熱電特性の解明および伝導特性制御を行った。特に反芳香族分子を用いて顕著な成果を得る事ができた。反芳香族分子ノルコロール、比較対象として類似の構造をもつ芳香族分子ポルフィリンについて、走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて単分子計測を行った。単分子伝導度の統計的解析から反芳香族分子の伝導度は4.2x10^-4 G0, 芳香族分子の伝導度は1.7x10^-5 G0と求まった。ここで、G0は量子化コンダクタンス(2e^2/h=77.5x10^-6 S)である。以上の計測から、反芳香族分子が芳香族分子と比較して20倍近く伝導性が高いことが分かった。さらに、反芳香族分子の高い電子伝導性の起源を実験的に明らかにするために、電流電圧特性を計測した。単分子の電流―電圧特性の解析から分子軌道と金属電極のフェルミ準位のエネルギー差を求めることが出来る。芳香族分子のポルフィリンでは分子軌道がフェルミ準位から0.8 eVの位置にあるのに対し、反芳香族分子であるノルコロールでは0.5 eVと、フェルミ準位に、より近い位置にあることが分かった。単分子を流れる電子は、分子軌道とフェルミ準位のエネルギー差に相当する障壁を感じて伝導する。このことから、反芳香族分子の方が障壁が低く、効率的に電子を伝導したことになる。並行して、第一原理計算に基づいた電子輸送シミュレーションを行い、実験的にもとめた電子状態、伝導特性を定量的に再現することができた。次に電気化学を利用することで伝導度の変調を試みた。電気化学では、電気化学電位により電極のフェルミ準位を上下させ、分子軌道とフェルミ準位のエネルギー差を制御することが出来る。負電位にすることで、伝導度が1桁近く増大した。以上、反芳香族分子の優れた電子伝導特性を単分子レベルで解明と制御に世界で初めて成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

これまで、単一π造形分子の構造および電子状態を解明するための計測装置として、単分子接合の表面増強ラマン散乱、電流―電圧計測、熱起電力計測装置など、独自の計測装置を開発してきた。本年度はこれまで開発してきた計測法を反芳香族分子に適用し、反芳香族分子の優れた電子伝導特性の解明に成功した。更に、電気化学gatingを用いた伝導度の制御装置を開発し、反芳香族分子の単分子伝導度の制御を制御することで伝導度を1桁近く増大させることに成功した。以上、計測法開発、物性、機能探索、両面から研究は順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

これまで、種々の単一π造形分子の電気伝導度、熱起電力計測を行い、分子の基礎的な物性を明らかにしてきた。今後は単分子に積極的に応力を与えることで、単分子の物性を変調することに挑戦する。特に、今年度は力と伝導度、熱起電力の同時計測装置の開発を行う。力と伝導度、熱起電力の計測が可能になることで単分子に応力を与えた際の伝導、熱電特性の応答を調べることができる。この計測によりA01,A02班によって合成されるπ造形分子から、巨大熱起電力、熱起電力スイッチなど応力誘起の新機能を引き出すことが期待できる。そして、これまで構築してきた単分子接合の電子状態計測法と組み合わせることで、包括的に単一π造形分子の物性を解明できる。単一π造形分子の力と伝導度、熱起電力の同時計測を行うためには、原子間力顕微鏡(AFM)を電気計測が可能なように改良し、さらに電流アンプをより低電流まで計測できるように改良する。開発した計測装置を、巨大な熱起電力の発現が理論提案されている金属内包フラーレンやヘリセン分子などに適用する。

  • Research Products

    (28 results)

All 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (18 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 18 results,  Open Access: 5 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 6 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] Academy of Sciences of Czech(チェコ)

    • Country Name
      CZECH
    • Counterpart Institution
      Academy of Sciences of Czech
  • [Int'l Joint Research] Simon Fraser University(Canada)

    • Country Name
      Canada
    • Counterpart Institution
      Simon Fraser University
  • [Journal Article] Fluctuation in Interface and Electronic Structure of Single-Molecule Junctions Investigated by Current versus Bias Voltage Characteristics2018

    • Author(s)
      Y. Isshiki, S. Fujii, T. Nishino, and M. Kiguchi
    • Journal Title

      J. Am. Chem. Soc.

      Volume: 140 Pages: 3760-3767

    • DOI

      10.1021/jacs.7b13694

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Impact of junction formation process on single molecular conductance2018

    • Author(s)
      Y. Isshiki, S. Fujii, T. Nishino, and M. Kiguchi
    • Journal Title

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      Volume: 20 Pages: 7947-7952

    • DOI

      10.1039/C8CP00317C

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Investigation on Single-Molecule Junction Based on Current-Voltage Characteristics2018

    • Author(s)
      Y. Isshiki, Y. Matsuzawa, S. Fujii, M. Kiguchi
    • Journal Title

      Micromachines

      Volume: 9 Pages: 67 (1-15)

    • DOI

      10.3390/mi9020067

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Formation of a Chain-like Water Single Molecule Junction with Pd Electrodes2018

    • Author(s)
      R. Fukuzumi, S. Kaneko*, S. Fujii, T. Nishino, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      J. Phys. Chem. C

      Volume: 122 Pages: 4698~4703

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.7b12605

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Single-molecule junction of pi-molecule2018

    • Author(s)
      Y. Komoto, S. Fujii, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Mater. Chem. Front.

      Volume: 2 Pages: 214~218

    • DOI

      10.1039/C7QM00459A

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Single-molecule junction of an overcrowded ethylene with binary conductance states2018

    • Author(s)
      M. Koike, S. Fujii, H. Cho, Y. Shoji, T. Nishino, T. Fukushima*, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 57 Pages: 03EG05

    • DOI

      10.7567/JJAP.57.03EG05

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Surface Enhanced Raman Scattering in Molecular Junctions2017

    • Author(s)
      M. Iwane, S. Fujii, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: 17 Pages: 1901

    • DOI

      10.3390/s17081901

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Controlling the thermoelectric effect by mechanical manipulation of the electron's quantum phase in atomic junctions2017

    • Author(s)
      A. Aiba, F. Demir, S. Kaneko, S. Fujii, T. Nishino, K. Tsukagoshi, A. Saffarzadeh, G. Kirczenow, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Sci. Rep.

      Volume: 7 Pages: 7949

    • DOI

      10.1038/s41598-017-08553-2

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Highly-conducting molecular circuits based on antiaromaticity2017

    • Author(s)
      S. Fujii, S. Marques-Gonzalez, J. Shin, H. Shinokubo, T. Masuda, T. Nishino, N. P. Arasu, H. Vazquez, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Nat. Commun.

      Volume: 8 Pages: 15984

    • DOI

      10.1038/ncomms15984

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Molecular diode studies based on a highly sensitive measurement technique2017

    • Author(s)
      M. Iwane, S. Fujii, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: 17 Pages: 956

    • DOI

      10.3390/s17050956

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Gap Width-independent Spectra in ATP Surface Enhanced Raman Scattering stimulated in Au-gap Array2017

    • Author(s)
      S. Watanabe, S. Kaneko, S. Fujii, T. Nishino, S. Kasai, K. Tsukagoshi, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 56 Pages: 65202

    • DOI

      10.7567/JJAP.56.065202

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Controlling the Formation Process and Atomic Structures of Single Pyrazine Molecular Junction by Tuning the Strength of the Metal-Molecule Interaction2017

    • Author(s)
      S. Kaneko, R. Takahashi, S. Fujii, T. Nishino, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      Volume: 19 Pages: 9843~9848

    • DOI

      10.1039/C6CP08862G

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Single Molecular Junction Study on H2O@C60: H2O is “Electrostatically Isolated”2017

    • Author(s)
      S. Kaneko, Y. Hashikawa, S. Fujii, Y. Murata, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      ChemPhysChem

      Volume: 18 Pages: 1229~1233

    • DOI

      10.1002/cphc.201700173

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Statistical I-V measurements of single-molecule junctions with an asymmetric anchoring group 1,4-aminobenzenethiol2017

    • Author(s)
      Y. Komoto, S. Fujii, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol.

      Volume: 8 Pages: 25007

    • DOI

      10.1088/2043-6254/aa5e24

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Atomic structure of water/Au, Ag, Cu and Pt atomic junction2017

    • Author(s)
      Y. Li, S. Kaneko, S. Fujii, T. Nishino, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      Volume: 19 Pages: 4673~4677

    • DOI

      10.1039/C6CP07549E

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In-situ Observation of Formation Process of Free Standing Au Nano Wire with Scanning Electron Microscope2017

    • Author(s)
      A. Aiba, S. Kaneko, S. Fujii, T. Nishino, K. Tsukagoshi, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Nanotechnology

      Volume: 28 Pages: 105707

    • DOI

      10.1088/1361-6528/aa59f0

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Evaluation of Electronic Structure of the Single-molecule Junction Based on Current-Voltage Measurement and Thermopower Measurement , Application to C60 Single-molecule Junction2017

    • Author(s)
      Y. Komoto, Y. Isshiki, S. Fujii, T. Nishino, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Chem. Asian J.

      Volume: 12 Pages: 440~445

    • DOI

      10.1002/asia.201601392

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mechanical control of the plasmon coupling with Au nanoparticle arrays fixed on the elastomeric film via chemical bond2017

    • Author(s)
      E. Bedogni, S. Kaneko*, S. Fujii, M. Kiguchi*
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 56 Pages: 35201

    • DOI

      10.7567/JJAP.56.035201

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 単原子・単分子接合の電子・光物性制御2018

    • Author(s)
      木口学
    • Organizer
      北海道大学 Ambitious
    • Invited
  • [Presentation] Electrical and Optical Response of Single Molecular Junction2017

    • Author(s)
      Manabu Kiguchi
    • Organizer
      Japanese-German Workshop_Single-Molecule Science and Technology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Electron Transport through Single Molecular Junction-Towards Single Molecular Electronic Devices2017

    • Author(s)
      Manabu Kiguchi
    • Organizer
      Northeastern Asian Symposium -Emerging Materials Innovation
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Molecular Junction towards Single Molecular Electronics2017

    • Author(s)
      Manabu Kiguchi
    • Organizer
      NTU-Tokyo Tech Research Forum
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Single Molecular Junction towards Single Molecular Electronics2017

    • Author(s)
      Manabu Kiguchi
    • Organizer
      9th International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] SERSとI-Vの同時計測による金属-分子局所界面構造の解析2017

    • Author(s)
      木口学
    • Organizer
      日本学術振興会ナノプローブテクノロジー第167委員会 定例研究会
    • Invited
  • [Remarks] 東京工業大学プレスリリース

    • URL

      https://www.titech.ac.jp/news/2017/038451.html

  • [Remarks] 東京工業大学プレスリリース

    • URL

      https://www.titech.ac.jp/news/2017/039061.html

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Published: 2018-12-17   Modified: 2022-05-13  

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