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2020 Fiscal Year Research-status Report

電子状態の異なる分子状金属酸化物の混晶化による化学ドーピングと物性制御

Research Project

Project/Area Number 18K05060
Research InstitutionYamaguchi University

Principal Investigator

綱島 亮  山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (70466431)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Keywordsポリオキソメタレート / 電気伝導性 / 固溶体
Outline of Annual Research Achievements

Siや金属酸化物などの原子性結晶では、ホスト化合物中の原子Aと類似の大きさだが電子状態が異なる原子Bをゲストとして結晶中に導入する。また、遷移金属イオンなどの異なる原子価が可能な場合、酸化還元的過程を介して混合原子価状態にできる。また、合金は置換・混合する量が不純物程度を超える点でドーピングとは異なるが類似の化学である。これらはいずれも、電子状態が異なる原子Aと原子Bを任意の組成比xで混合して得られた化合物A1-xBxの物性・機能がAやBの固体とも異なる新しい化合物にする化学反応という点で類似している。原子性固体ではバンドフィリング制御として成功した方法であり、個々の原子AとBは①固体中でランダムに存在、②ホスト原子と電子的な相関が必要で、これにより両者が融合した「シナジー効果」が現れる。加えて③組成比xを連続的に変化させる、ことにより物性のチューニングが達成できる。この点で分子性結晶中の分子は孤立性が強いため②の達成が困難になる。例外として、π分子の軌道の重なりが十分な場合、ドーピングによりπカラムに沿った方向の電気伝導性が劇的に変わる。他にもスピンの有無を活かした磁気希釈など、分子性結晶においてもドーピングは新奇な物性の開拓に成功してきた。
そこで、分子としてのサイズ・形状が同じまま、電子状態を変えられるポリオキソメタレートについて、原子価の異なるクラスターからなる混晶を作製し、組成比に応じてマクロスコピックな性質が変わるような「超原子ドーピング・分子性合金」に着眼した。特に、固相ポリオキソメタレートが機能性材料として近年活躍が見られる固相電解質や電池材料、まだ基礎研究ステージにある分子性量子ドットとしたエレクトロニクス材料として、諸物性値に対する組成比との状態図を作製し、新たな機能性開拓の軸とした物性・機能開拓研究を目指した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

これまでに、テトラプロピルアンモニウムを対カチオンとした[PMo(V)Mo(VI)11O40]4-と[SiMo(VI)12O40]4-の混晶を作製し、単結晶一つについて顕微IR、電子顕微鏡下でのEPMA測定、XPS測定を行い、単結晶中で両者が混合していることを確認した。尚、調整時の混合比は、結晶中の組成比と比較的良い精度で対応していた。組成比の異なる単結晶を用いて直流電気伝導度とインピーダンス測定を行い、混合原子価種の増加に伴い導電性の成分が増加する傾向を明らかにした。また、固体31P-NMRでは組成比によるピークシフトが見られたが、結晶溶媒を含んだ試料であるため乾燥状態の差などの課題が残り、詳細は本提案で調査する。特に、結晶溶媒としてDMFを用いると混晶が得られるが、アセトニトリルを用いた場合はそれぞれの結晶が得られる傾向を見出している。
加えて、当該年度では混合時の組成比に対する、結晶中の組成比、電気伝導性、構造に関するデータの再現性を主に収集した。結晶作製時での混合比は、概ね結晶中の組成比と良く対応していることを、UV-VISスペクトルとICP元素分析を用いて定量的に評価した。また、FT-IRスペクトルを単結晶ごとに行い、Si-OとP-O伸縮振動のピークを用いて、PMo12とSiMo12の組成比を定性的に比較することを試みた。同じ混合比で結晶化させて場合でも、20%程度は固溶比がずれている結晶が存在していることがわかった。現在ではより正確に定量分析できるような方法を詮索している。
前年度までに得られていた成果と併せ、①酸化状態の異なるポリオキソメタレートからなる固溶体を作製可能、②組成比は混合比に1:1で概ね対応、③固溶比は均一ではなく分布幅が広い、③バルクな電気伝導性は、PMo12のみでの10^(-12) Scmから、還元されたSiMo12のみでの10^(-9) Scmまで、連続的に固溶比に応じて増加することがわかった。

Strategy for Future Research Activity

現在は、FTIRを用いて、より定量的に単結晶中の固溶比を評価することを目指している。これにより、固溶体結晶について結晶成長法と分析法を導くことが可能になり、電子状態の異なるポリオキソメタレートを固溶化するプロセスが得られる。

今後は、POMを人工原子と見立てた新たな固体物性材料の新物質群への発展を狙う。例えば12核のケギン型クラスターは、還元による負電荷側へのシフトを、中心のヘテロ原子をS(VI), P(V), Si(IV), B(III) と変えることで補償できるため、サイズと価数を同じまま電子状態を変えたクラスターが存在でき、混晶化ができる。組成比が不純物レベルであればドーピング、定量的なレベルであれば「合金」に対応する。
これまでは、対カチオンからの影響を考慮していなった。今後、カチオンとしてπ分子系や、電子ドナー、アルカリ金属等様々な対称へと拡げ、ポリオキソメタレートに由来する固溶体独自の構造や電子状態を活かした、電気物性の開拓を進めていきたい。
また、固溶型ポリオキソメタレート結晶を用いた不均一触媒活性についても、固溶比に応じた変化など、新しい展開を詮索していく予定である。

Causes of Carryover

予定していた学会がコロナ禍によりオンラインとなった、及び、翌年度に延期されたため旅費にかかる経費が予定よりも少なくなった。2021年度では、実験のための消耗品の経費に充てる予定である。

  • Research Products

    (8 results)

All 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Structural Phase Transitions of a Molecular Metal Oxide2020

    • Author(s)
      Fujibayashi Masaru、Watari Yu、Tsunashima Ryo、Nishihara Sadafumi、Noro Shin‐ichiro、Lin Chang‐Gen、Song Yu‐Fei、Takahashi Kiyonori、Nakamura Takayoshi、Akutagawa Tomoyuki
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 59 Pages: 22446~22450

    • DOI

      10.1002/anie.202010748

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spin Crossover between the High-Spin and Low-Spin States and Dielectric Switching in the Ionic Crystals of a Fe(II) [2 × 2] Molecular Grid2020

    • Author(s)
      Uezu Yuta、Tsunashima Ryo、Tanaka Chiaki、Fujibayashi Masaru、Manabe Jun、Nishihara Sadafumi、Inoue Katsuya
    • Journal Title

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      Volume: 93 Pages: 1583~1587

    • DOI

      10.1246/bcsj.20200207

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Doping of metal-free molecular perovskite with hexamethylenetetramine to create non-centrosymmetric defects2020

    • Author(s)
      Morita Hagino、Tsunashima Ryo、Nishihara Sadafumi、Akutagawa Tomoyuki
    • Journal Title

      CrystEngComm

      Volume: 22 Pages: 2279~2282

    • DOI

      10.1039/D0CE00173B

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Co-DABCO一次元鎖からなるK[Co(dabco)(OCN)3]の構造相転移2021

    • Author(s)
      藤川 奈緒美、高橋 仁徳、中村 貴義、綱島 亮
    • Organizer
      日本化学会春季年会
  • [Presentation] ヘキサメチレンテトラミンを用いた分子性ペロブスカイト化合物ABI3の構造と誘電物性2021

    • Author(s)
      本田 弘樹、綱島 亮、森田 萩乃
    • Organizer
      日本化学会春季年会
  • [Presentation] 光連結異性化を示すCo(III)ニトリト錯体の誘電特性2021

    • Author(s)
      知念 真妃郎、綱島  亮
    • Organizer
      日本化学会春季年会
  • [Presentation] Exploring a Macroscopic Solid-state Property of Polyoxometalate-based Hybrids2020

    • Author(s)
      綱島亮
    • Organizer
      錯体化学討論会
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] アンモニウムを内包した四面体型錯体の結晶構造と誘電特性2020

    • Author(s)
      田中千晶、綱島亮、中村貴義、高橋仁徳
    • Organizer
      日本化学会中国四国支部大会

URL: 

Published: 2021-12-27  

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