2022 Fiscal Year Research-status Report
半導体ナノ構造体を用いた高機能フォトクロミック材料の創出
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21K05012
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
小林 洋一 立命館大学, 生命科学部, 准教授 (10722796)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 半導体 / ナノ結晶 / フォトクロミズム / 電荷分離 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
CuドープZnSナノ結晶のフォトクロミズムの課題は、着色が有機フォトクロミック分子と比べて弱いことである。これは、粒子間のホッピングの前に電荷再結合する成分があること、また着色の起源であるZnSの価電子帯からCu2+への遷移のモル吸収係数が有機分子のものと比べて小さいことが挙げられる。よって、電荷分離を効率的に起こし、生成する電荷分離種の可視領域の振動子強度をより高めるための材料設計を基に研究を行った。 2022年度（2年目）は、ナノ結晶をZnSからZnO, Ag2Sなどの化合物半導体へと拡張し、それらのフォトクロミック特性や光励誘起電荷分離過程を明らかにした。得られた知見の概要を示す。
① メルカプトプロピオン酸でキャップしたZnOナノ結晶粉末が紫外光照射により近赤外領域全体に吸収を生じ、照射後元に戻るフォトクロミズムを示すことを明らかにした。ZnOナノ結晶のフォトクロミック反応はこれまでにも知られていた一方、湿潤空気下でもフォトクロミック反応を示す例はこれまでになく、ZnOナノ結晶の新しい機能材料の可能性を見出した（Photochem. Photobiol. Sci.2022, 21, 1781-1791.）。
② 近赤外領域まで吸収帯を有し、極めて低毒性のAg2Sナノ結晶に可視光応答性色素であるペリレンビスイミドを配位させた複合ナノ材料を合成し、その光誘起電荷分離挙動を明らかにした。これまでナノ結晶の電荷分離を形成するためには紫外光や可視光を用いる必要があった一方、本材料では720 nmの近赤外光で励起しても電荷分離に由来するペリレンビスイミドのラジカルアニオンのシグナルが瞬時に生成した。Ag2Sナノ結晶高励起状態、または量子サイズ効果が強く表れた小さなナノ結晶からペリレンビスイミドの最低空軌道に高速な電子移動が起きていることが示唆された（ECS J. Solid State Sci. Technol.2022, 11, 101001.）。
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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
ZnSナノ結晶からZnOやAg2Sナノ結晶へと拡張し、それらの光誘起電荷分離状態の解析を実現した。さらにZnOナノ結晶では、空気や湿気のある条件でもフォトクロミズムを発現できる材料の創成に成功した。
Ag2Sナノ結晶とペリレンビスイミドを組み合わせた電荷分離状態の形成に関する研究は次年度に予定していたものであるが、現時点で既に良好な結果が得られており、順調に研究が進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
着色の原理に立ち返ると、ZnSに電子を効率的に渡して着色できるドナーであれば、Cuイオンを用いなくともこのフォトクロミック反応を実現できると考えられる。そこで、フェノチアジンなどのドナー性有機分子をナノ結晶表面に配位させ、光照射で生成するラジカルカチオンが着色種となるようなフォトクロミックナノ材料を創出する。有機ラジカル由来の遷移の吸収係数はCuイオン由来のものよりも10倍以上大きく、分子種によって色も自由に調整できるため、フォトクロミック反応の着色量の大幅な向上や多色化を実現できると考える。
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| Causes of Carryover |
物質合成を順調に進めることができ、当初の想定よりも予算を低く抑えることができたため。
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