2019 Fiscal Year Research-status Report
Theoretical design of single molecule transistor using metal complexes with open-shell electronic states
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19K05401
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
北河 康隆 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (60362612)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 単分子トランジスタ / 開殻電子状態 / 金属錯体 / 理論計算 / 分子設計 / 量子化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では『１分子でトランジスタ機能を有する化合物を、どのように量子化学理論に立脚しデザインするか』という観点から、『開殻電子状態を有する錯体に着目し、スピン状態などにより電気伝導度が大きく異なるような分子を理論設計する』ことを目的としている。その達成のために、（１）実在する１次元錯体や単分子磁石錯体において、スピン多重度などを変えた時の伝導性の変化を、量子化学計算により明らかにし、（２）『分子構造・スピン状態（電子状態）と電気伝導性』の関係性を分子軌道レベルで解明することにより、１分子トランジスタとして機能する錯体の設計指針を構築する。そして（３）具体的な錯体を提案し、予想される物性値を示す、という三点を遂行することを目標としている。
初年度である２０１９年度は、拡張金属原子鎖（EMACs）のスピン状態による電気伝導性の違いを明らかにすることを実行した。実在する１次元ニッケル(II)５核錯体に注目し、スピン多重度による電気伝導性の違いを、密度汎関数法と弾性散乱グリーン関数法を用い調べた。その結果、２つの異なるスピン状態（１重項と５重項）で電気伝導度が異なり、励起状態である５重項では基底状態である１重項の約1.6倍の伝導度を示すことが明らかとなった。この結果より、外場（磁場など）による電気伝導性の制御の可能性を示唆することができた。他方、スピン状態の制御の可能性として、２核錯体において、強磁性相互作用状態を発現させる設計指針に関しても得ることができた。上記の結果に関しては２報の論文として、英文論文誌上梓した（Molecules 2019, 24, 1956, Magnetochemistry 2020, 6, 10(Cover Figure Article)）。また、他にも実験研究者との共同研究として、分子の磁性と電子状態の関係について論文を執筆した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
上述の通り、当初予定していた拡張金属原子鎖（EMACs）のスピン状態による伝導性の違いを分子軌道レベルで明らかにすることに成功し、また、２核金属錯体のスピン状態の制御に関する研究結果も得ることに成功した。さらに以下の「今後の研究の推進方策」でも述べるように、多孔性錯体内や生体内での水素結合による電子状態のスイッチングの可能性なども、周辺研究より明らかとすることができ、本研究の今後の展開につながる成果が得られた。したがって、これらの成果を組み合わせることにより、当初の想定を超えた新たな単分子トランジスタの可能性を議論することが可能となった。以上の点より、(2)概ね順調に進展している、と結論づけることができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、単分子磁石として知られている分子の伝導性の理論計算も実行し、さらに磁場などの外場制御の可能性を探求する。加えて、分子構造（配位子なども含む）、電子状態と伝導度の関係性を明らかにし、分子設計指針を得ることを目指す。その際、多変量解析など、現在の機械学習で用いられている手法も積極的に導入し、研究を進めることとする。また本年度、周辺研究により金属有機構造体（metal-organic flamework ; MOF）と吸蔵分子との水素結合による電子状態変化（Angew.Chem.Int.Ed.,2019, 58,7351-7356）や生体内酵素活性中心の水素結合による酸化還元制御機構（J. Comput. Chem., Jpn, 2019, 18, 239-240）を明らかにすることに成功した。このようなMOFや、生体酵素の電子状態制御などを参考にし、加えて、covalent organic flamework（COF）構造を有する化合物などもその対象とすることにより、より広く単分子ダイオードの可能性を探ることとする。
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