非対称エッジ修飾グラフェンナノリボンの精密合成

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K17893
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 中江 隆博 京都大学, エネルギー理工学研究所, 助教 (20505995)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: グラフェンナノリボン / 多環式芳香族炭化水素 / 表面重合 / キラリティー

Outline of Annual Research Achievements

グラフェンナノリボンは，“有限幅を持つグラフェン”すなわち一次元量子構造であり、分子幅やエッジ構造に依存した優れた半導体的性質を持つことが理論的に予測され、高性能デバイスとして期待される新物質である。理論的・実験的側面からシリコンを凌駕する電気特性を示すことが注目されている次世代の半導体材料である．均質な材料を量産し理論予測された細線幅・エッジ構造に依存した物性を実験的に明らかにするためにはボトムアップ的合成による精密合成と物性評価が不可欠である。
我々が開発した２ゾーン型化学気相成長法を用いることで，原料分子の熱的活性化と表面重合を独立温度制御することにより，分子設計した原料分子からグラフェンナノリボンを高効率で表面合成し，未知の物性を明らかにすることができた．
本提案では、従来困難であった非対称構造を有するジグザグエッジ型などの新しい構造を持つGNRの合成を目指す．今年度は非対称楮を与える原料分子の設計・合成を行い，表面重合の検討を行った．我々が分子設計したZ型前駆体分子を用いると、表面分子変形、ホモキラル重合、高効率分子内縮環反応が表面上を起こり、非常に高い効率でアセン型グラフェンナノリボンを表面合成することが明らかになった。この新しい表面触媒作用に着想を得て，非対称型グラフェンナノリボンの前駆体となる原料分子の設計を行い，表面重合反応により得られる表面高分子の構造について解析を行った．

Current Status of Research Progress

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

Reason

我々が分子設計したZ型前駆体分子を用いることで，表面分子変形，ホモキラル重合，高効率分子内縮環反応が表面上を起こり，非常に高い効率でアセン型グラフェンナノリボンを表面合成することが明らかになった。この新しい表面触媒作用に着想を得て，分子設計を行うことで非対称型GNRへの変換を目的とした原料分子の設計・合成を行い，表面重合反応について検討を行うことで，表面分子変型が駆動する表面重合の選択性に関する知見を得ることができたため。

Strategy for Future Research Activity

今年度得られた知見を基にして，非対称構造を持つ前駆体分子を設計し合成する．独自の分子設計に基づく原料分子を，我々の開発した2ゾーン型化学気相成長法を用いて表面重合・脱水素縮環反応を行い，新規GNRの合成と機能の解明を目指す．
Z型前駆体分子により発見した効率の良い重合反応および分子内脱水素縮環反応を引き起こす新しい反応原理である表面分子変型と表面分子識別反応機構の原理を深化させることで，機能性GNRを高効率で合成することを目指す．

Research Products

• [Journal Article] Diethyl N,N′-dimethylpyrrol[3,4-f]isoindole-1,7-dicarboxylate as a 14π-electronic aromatic compound with two azomethine-ylide moieties (2017)
  • Author(s): Hiraoka Shogo、Tahara Hiroyuki、Mori Shigeki、Okujima Tetsuo、Takase Masayoshi、Nakae Takahiro、Uno Hidemitsu
  • Journal Title: Tetrahedron Volume: 73 Pages: 957～963
  • DOI: 10.1016/j.tet.2017.01.015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Homochiral polymerization-driven selective growth of graphene nanoribbons (2017)
  • Author(s): Hiroshi Sakaguchi, Shaotang Song, Takahiro Kojima, Takahiro Nakae
  • Journal Title: Nat. Chem. Volume: 9 Pages: 957-963
  • DOI: 10.1038/NCHEM.2614
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Template Synthesis of Decaphyrin with No Meso-Bridges: Cy-clo[10]pyrrole (2016)
  • Author(s): Tetsuo Okujima, Chie Ando, Saurabh Agrawal, Hiroki Matsumoto, Shigeki Mori, Keishi Ohara, Ichiro Hisaki, Takahiro Nakae, Masayoshi Takase, Hidemitsu Uno, Nagao Kobayashi
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 138 Pages: 7540-7543
  • DOI: 10.1021/jacs.6b04941
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis of cyclo[8]pyrrole-polyoxometalate double-decker complex (2016)
  • Author(s): Tetsuo Okujima, Hiroki Matsumoto, Shigeki Mori, Takahiro Nakae, Masayoshi Takase, Hidemitsu Uno
  • Journal Title: Tetrahedron Lett. Volume: 57 Pages: 3160-3162
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2016.06.021
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 生物模倣型金属触媒作用を用いたアセン型GNRの開発 (2017)
  • Author(s): 小島崇寛, 中江隆博, 宋少堂, 坂口浩司
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学日吉キャンパス（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16 – 2017-03-19
• [Presentation] Fabrication of Acene-Type Graphene Nanoribbons on Au(111) (2017)
  • Author(s): S. Song, T. Kojima, T. Nakae H. Sakaguchi
  • Organizer: Symposium on Surface Science & Nanotechnology -25th Anniversary of SSSJ Kansai
  • Place of Presentation: Kyoto International Community House (kokoka)（京都府京都市）
  • Year and Date: 2017-01-24 – 2017-01-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] オキソカーボン酸を内包するシクロ[n]ピロール類の合成 (2016)
  • Author(s): 奥島鉄雄, 松本宏樹, 安藤千恵, 森 重樹, 中江隆博, 高瀬雅祥, 宇野英満
  • Organizer: 第10回有機π電子系シンポジウム
  • Place of Presentation: あうる京北・京都府立ゼミナールハウス(京都府京都市)
  • Year and Date: 2016-12-16 – 2016-12-17
• [Presentation] Observation of azulene-to-fulvalene rearrangement by AFM (2016)
  • Author(s): A. Shiotari, K. Iwata, T. Nakae, Y. Shinagawa, S. Mori, T. Okujima, H. Uno, H. Sakaguchi, Y. Sugimoto
  • Organizer: 24th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2016-12-14 – 2016-12-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 生体模倣型触媒作用による新規アセン型GNRの表面合成 (2016)
  • Author(s): 中江隆博, 小島 崇寛, 宋 少堂, 坂口浩司
  • Organizer: 第7回分子アーキテクトニクス研究会
  • Place of Presentation: 九州大学筑紫キャンパス（福岡県春日市）
  • Year and Date: 2016-10-20 – 2016-10-21
• [Presentation] 原子間力顕微鏡によるアズレン-フルバレン転位反応の高分解能測定 (2016)
  • Author(s): 塩足亮隼, 岩田孝太, 中江隆博, 品川友志, 森重樹, 奥島鉄雄 ,宇野英満, 坂口浩司, 杉本宜昭
  • Organizer: 第7回分子アーキテクトニクス研究会
  • Place of Presentation: 九州大学筑紫キャンパス（福岡県春日市）
  • Year and Date: 2016-10-20 – 2016-10-21
• [Presentation] 生物模倣型金属触媒作用を用いたアセン型GNRの開発 (2016)
  • Author(s): 小島 崇寛, 宋 少堂, 中江 隆博, 坂口 浩司
  • Organizer: π造形科学第3回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学片平キャンパス（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-10-20 – 2016-10-21
• [Presentation] Surface Synthesis of graphene nanoribbons by conformation-controlled mechanism (2016)
  • Author(s): Takahiro Nakae, Hiroshi Sakaguchi
  • Organizer: International Symposium on Pure & Applied Chemistry 2016
  • Place of Presentation: Kuching, Sarawak, Malaysian
  • Year and Date: 2016-08-15 – 2016-08-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] AFM/STM observation of azulene-to-fulvalene rearrangement in a small molecule (2016)
  • Author(s): Akitoshi Shiotari, Kota Iwata, Takahiro Nakae, Yuji Shinagawa, Mori Shigeki, Tetsuo Okujima, Hidemitsu Uno, Hiroshi Sakaguchi, Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: 19th International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy
  • Place of Presentation: Nottingham, UK
  • Year and Date: 2016-07-25 – 2016-07-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel Nanographene Material Synthesized via Chemical Vapor Deposition (2016)
  • Author(s): Shaotang Song, Guanbo Huang, Takahiro Nakae, Takahiro Kojima, Hiroshi Sakaguchi
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Synhtetic Two-Dimensional Polymers
  • Place of Presentation: Todaiji Temple Cultural Center （奈良県奈良市）
  • Year and Date: 2016-06-02 – 2016-06-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CVD Synthesis of Acene-type Graphene Nanoribbons by Surface-Conformation-Driven Mechanism (2016)
  • Author(s): Takahiro Nakae, Song Shaotang, Takahiro Kojima, Hiroshi Sakaguchi
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Synhtetic Two-Dimensional Polymers
  • Place of Presentation: Todaiji Temple Cultural Center （奈良県奈良市）
  • Year and Date: 2016-06-02 – 2016-06-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bottom-up Synthesis of Graphene Nanoribbon with Precise Chiral Edge (2016)
  • Author(s): Guanbo Huang, Takahiro Nakae, Takahiro Kojima, Hiroshi Sakaguchi
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Synhtetic Two-Dimensional Polymers
  • Place of Presentation: Todaiji Temple Cultural Center （奈良県奈良市）
  • Year and Date: 2016-06-02 – 2016-06-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bottom-up Growth Mechanism of Graphene Nanoribbon on Au(111) Surface (2016)
  • Author(s): Shaotang Song, Takahiro Nakae, Takahiro Kojima, Hiroshi Sakaguchi
  • Organizer: The 2nd International Symposium on π-System Figuration
  • Place of Presentation: Community Center Urawa（埼玉県さいたま市）
  • Year and Date: 2016-04-14 – 2016-04-15
  • Int'l Joint Research