2021 Fiscal Year Research-status Report
Electromechanical Properties of Single-Molecule Junctions
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20K05245
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
藤井 慎太郎 東京工業大学, 理学院, 特任准教授 (70422558)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 単分子接合 / 電気伝導度 / 熱起電力 / ブレイクジャンクション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
単分子接合は、単分子素子としての応用や有機ELなどの有機電子デバイスにおける金属―分子界面のモデル系、そして金属と単分子が複合した新物質として注目を集めている。これまで多様な単分子接合が研究され、スイッチ、ダイオードなどの単分子接合に特有な物性の可変性に基づいた機能発現が報告されてきた。単分子接合では界面構造や分子配座が可逆的に変化し、電子状態、電気輸送特性、熱電特性などの物性が可変的な力学応答性を示す。本年度は、機械的に分子配向や分子－金属間の界面構造を変化させることで、単分子接合の熱電能の機械的変調性について調べた。単分子接合のゼーベック係数はフェルミ準位における単分子接合の電子透過率のエネルギー微分に比例するため、単分子接合の透過率と同様に、熱電能も分子の配向や分子－金属間の界面構造によって大きく変化することが期待される。
本年度は、前年度に引き続きブレイクジャンクション法により金電極間に作製した単分子接合に温度勾配を与え、機械的な外力を加えながら熱起電力を計測し、単分子接合のゼーベック係数を求めた。フラーレン(C60)と4,4’-ビピリジン(BPY)に加えて、これまでの研究から単分子接合の電子状態が良く知られている、1,4-ベンゼンジアミン（BDA）をターゲット分子として用いた。機械的外力により電極間距離を短くするにつれ、分子－金属界面の構造変化を反映して、ゼーベック係数の絶対値はBPY、BDAでは減少し、C60では増加した。観察されたゼーベック係数の外力応答性の起源を解明するために、非平衡グリーン関数法を用いて、各単分子接合について応力印加時の透過関数とゼーベック係数を決定した。その結果、機械的に誘起される分子軌道のエネルギーシフトに応じて、単分子接合のゼーベック係数が変化し、単分子接合の熱起電力が変調されることを理論的に確認した。
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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
上述のフラーレン(C60)、4,4’-ビピリジン(BPY)、1,4-ベンゼンジアミン（BDA）について、第一原理計算に基づいた単分子接合の透過関数計算からゼーベック係数を決定した。その結果、機械的外力による分子－金属間の界面構造の変化に伴い、分子軌道のエネルギーが増減するため、熱電能が変調されることを理論的に確認した。このように、当初の予定通り、観察された単分子接合の熱電能の機械的変調の仕組みを実験と理論の両面から明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで分子エレクトロニクス分野で標準的に研究されている分子について、その単分子接合の熱電能の機械的変調の仕組みを実験と理論の両面からに明らかにした。今後は、標準的な分子に加え、大きな機械的変調性が予測されているヘリセン分子や、大きな熱電能が期待されるナノグラフェン分子の熱起電力、熱伝導性の力学応答性の解明に着手する。
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| Causes of Carryover |
本年度は単分子接合の熱電計測が順調に進んだ。その結果、当初に想定していた電流アンプや制御システムの改良に必要な出費が抑えられたため、次年度使用額が生じた。この経費は翌年度に行う単分子接合の物性計算に必要な計算機使用料に充てる。
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