2020 Fiscal Year Annual Research Report
電気伝導特性とSERSの同時計測による単分子化学反応の解明
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20J20661
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小林 柊司 東京工業大学, 理学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 単分子接合 / 表面・界面 / 分光計測 / ラマン散乱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、単分子接合の表面増強ラマン散乱(SERS)および電気伝導特性の同時計測に基づいた、単一分子スケールでの実験的な化学反応の検出および化学反応の時間分解計測を目標としている。本年度はまず1,4-ベンゼンジチオール等のモデル分子を用いて単分子接合の構造変化に由来する電流-電圧(I-V)特性とSERSの変化について知見を集め、架橋構造の変化に伴う振動エネルギーの変化の観測に成功した。
続いて単分子接合における光化学反応についての研究を行った。本研究では、光照射により開環・閉環反応を引き起こすスピロピラン分子に着目した。金ナノギャップ間にスピロピラン分子を架橋させた状態でレーザー光を照射し続けながらI-VとSERSを計測し、単分子接合上での光化学反応の観測を試みた。得られたスペクトルを開環体と閉環体のバルク状態におけるものと比較し、単分子接合中において開環体と閉環体のそれぞれの状態を識別した。スペクトルによる分類から接合中には開環体が主に存在することが分かった。また、多変量解析の手法を用いることにより、開環体は閉環体に比べわずかに電気伝導度が高い傾向にあることがわかった。SERSスペクトルと電気伝導度の時間変化に着目した解析を行ったところ、開環体に特徴的な炭素-炭素伸縮振動に由来したピークが消失するとともに閉環体に由来した炭素-酸素伸縮振動のピークが出現し、スペクトルの変化に対応して電気伝導度は減少する例が観測された。したがって、分子が開環体から閉環体へ変化することによる電気伝導特性および接合構造の変化を実際に単分子接合上で観測することができたものといえる。以上より、単分子接合上における分子の異性化反応を、SERSと電気伝導特性の同時計測を用いて検出することに成功した。
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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
本研究の現在までの進捗状況は概ね良好である。本研究は、表面増強ラマン散乱(SERS)と電気伝導特性の同時計測に基づき、単分子接合上で1分子の化学反応をその場で観測することを目標としている。本年度は、当研究の基盤となる知見を得るための研究を着実に進行させた。まず、化学反応の場として単分子接合がどのように利用できるかについて検証を行い、接合構造の変化に伴う架橋構造の変化に由来する電流－電圧(I-V)特性とラマンスペクトルの変化について基礎的な知見を得ることができた。また本研究の目的の一つである単分子接合の反応の観測にも着手した。スピロピラン分子の光化学反応に着目し、単分子接合におけるスピロピラン分子の構造変化の観測を試みた。スピロピラン分子を架橋した単分子接合のSERSスペクトルを連続的に観測し、得られたスペクトルの解析方法を構築することで、接合中における架橋分子種をSERSスペクトルにより区別したうえで、単分子接合において光化学反応を観測することができた。得られた成果について、原著論文および国内・国際学会にて報告することができた。
また次年度以降に予定している溶液中における電気化学反応の観測に向け、測定系の構築を開始し、現在、電気化学電位の制御下における単分子接合の計測装置の作製を行っているところである。以上、本研究において、単分子接合上での化学反応の観測に向けた実験条件の検証および要素技術の開発が着実に進行しており、おおむね順調に研究が進展したといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、単分子接合上における酸化還元反応・重合反応の観測に取り組む。
まず、前年度に引き続き、単分子接合上での電気化学反応の観測を目指し、装置の開発を進行させる。本装置の開発においては、溶液中における単分子接合の計測に対応した微細加工電極の開発が重要な要素となる。装置開発と同時に、装置の性能評価を行う。計測対象の分子として、構造が単純であり計測が比較的容易であると推定されるチオフェンオリゴマー分子を用いる。電気化学電位を制御しながら単分子接合の電気伝導度およびSERSを同時に計測することで、開発した装置の性能を評価するとともに、装置の構成および計測条件の最適化を行う。続いて、開発した装置を利用しチオフェンオリゴマー分子の1電子・2電子酸化を引き起こしながら単分子接合の電気伝導特性とSERSの同時計測を行い、酸化還元反応に伴う単分子接合の電気伝導特性およびSERSの変化をin-situかつ1分子スケールで計測する。以上に引き続き、チオフェン誘導体において特徴的な電気化学重合の反応を単分子接合上で観測することを目指す。重合反応により分子長が変化することで、電子輸送経路が変化することに起因する電気伝導度の変化及び、化学種の変化に起因するSERSスペクトルの変化の発生が期待できる。続いて、電気化学電位や計測時間、ナノギャップの構造等を様々に変化させることで、実験的なアプローチから一分子スケールでの化学反応の制御を可能にし、化学反応の過程について明らかにする。特に、本研究によって、チオフェンオリゴマーの重合度の正確な制御が可能になることが期待できる。
また、以上の研究に並行し、電気化学等の手法を用いて化学反応を引き起こすことが可能で、かつ単分子接合を用いての観測に適した分子種の探索および、電気化学反応以外の化学反応における、単分子接合を用いた計測の可能性についての検討を行う。
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Research Products
(4 results)
