有機／無機複合ナノ接合による熱電変換特性の解明と制御

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25620058
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 山田 亮 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (20343741)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 単分子接合 / 熱起電力 / STMブレイクジャンクション

Outline of Annual Research Achievements

平成２７年度は、電気伝導度と熱起電力の同時測定をおこなう装置の開発、および、ホッピング伝導領域における単分子の熱起電力測定を行った。
これまでの測定方法では、(1) 熱起電力を測定している際の電気伝導度の評価が難しいこと、(2) 直立した配向の膜を形成しない分子の場合には測定が困難であることという問題がある。
(1)を解決するための手法として、高速かつ精密に電流電圧(IV)特性を測定する方法を開発した。低バイアス領域ではほぼ電流は電圧にほぼ直線的に変化するため、IV特性の傾きからコンダクタンスが、切片から熱起電力を求めることができる。(2)を解決する手段として、通常、単分子の電気伝導度測定で用いられるSTMブレークジャンクション (BJ)測定を行いながら、高速にIV特性を測定した。STM-BJでは、STMの探針と基板を衝突させたのち、引き離す際に形成される過渡的な構造に対して電流を記録する。この方法では、分子が基板に寝転んだ状態であっても、測定操作中に引っ掛けて単分子接合を形成できることに加え、さまざまな分子配向に対する測定も行うことができる。
開発した装置による測定結果では、予定通り、高速IV測定結果の傾きからSTM-BJ測定で観測される典型的なコンダクタンストレースと単分子接合の形成を示すプラトーを観測することができた。同時に熱起電力を評価することもでき、微細な構造変化に伴う熱起電力の変化を追跡することが可能となった。
ホッピング伝導領域における熱起電力測定では、これまでに測定を継続してきたオリゴチオフェン分子に関する測定を進め、トンネル伝導領域と大きくはかわらないホール伝導を示す正のゼーベック係数を観測した。この結果は、トンネル伝導状態もホッピング伝導状態も単分子レベルでは結果として類似した電子状態を利用した電気伝導となっているためと説明できる。

Research Products

• [Journal Article] Thermoelectricity at the Molecular Scale: Large Seebeck Effect in Endohedral Metallofullerenes (2015)
  • Author(s): See Kei Lee, Marius Buerkle, Ryo Yamada, Yoshihiro Asai, and Hirokazu Tada
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 7 Pages: 20496-20502
  • DOI: 10.1039/C5NR05394C
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thiophene-based Tripodal Anchor Units for Hole Transport in Single-Molecule Junctions with Gold Electrodes (2015)
  • Author(s): Yutaka Ie, Kazunari Tanaka, Aya Tashiro, See Kei Lee, Henrique Rosa Testai, Ryo Yamada, Hirokazu Tada, and Yoshio Aso
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett Volume: 6 Pages: 3754-3759
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b01662
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 単分子素子の電子物性計測と機能発現 (2016)
  • Author(s): 山田 亮
  • Organizer: 電気化学会第83回大会
  • Place of Presentation: 大阪大学吹田キャンパス（大阪府・吹田市）
  • Year and Date: 2016-03-29 – 2016-03-31
  • Invited
• [Presentation] 熱起電力測定による単分子接合の電子状態の解明 (2016)
  • Author(s): 山田 亮・Lee Seekei・田中 彰治・夛田 博一
  • Organizer: 日本化学会第９６春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス（京都府・京田辺）
  • Year and Date: 2016-03-24 – 2016-03-27
• [Presentation] Synthesis and Electronic Properties of Donor-Acceptor (DA) Single Molecular Diode Based on Perpendicularly Connected Porphyrin-Imide Dyad (2016)
  • Author(s): CHEN, Zhijin; HANDAYANI, Murni; TANAKA, Hirofumi; YAMADA, Ryo; TADA, Hirokazu; OGAWA, Takuji
  • Organizer: 日本化学会第９６春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス（京都府・京田辺）
  • Year and Date: 2016-03-24 – 2016-03-27
• [Presentation] Switching of single-molecule conductance by protonation/deprotonation of terbium porphyrin double-decker complexes (2016)
  • Author(s): SAKAI, Takashi; SUMITANI, Nobuto; INOSE, Tomoko; OHTO, Tatsuhiko; YAMADA, Ryo; TADA, Hirokazu; TANAKA, Daisuke; OGAWA, Takuji
  • Organizer: 日本化学会第９６春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス（京都府・京田辺）
  • Year and Date: 2016-03-24 – 2016-03-27
• [Presentation] 単分子伝導度計測における電極アンカーとしてのポルフィリン (2016)
  • Author(s): 玉木 孝・山田 亮・夛田 博一・小川 琢治
  • Organizer: 日本化学会第９６春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス（京都府・京田辺）
  • Year and Date: 2016-03-24 – 2016-03-27
• [Presentation] 被覆型長鎖オリゴチオフェンの電気伝導度の理論計算 (2016)
  • Author(s): 大戸 達彦、岡本 祐治、利根 紗織、家 裕隆、山田 亮、安蘇 芳雄、夛田 博一
  • Organizer: 第６３回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] 直鎖カルバゾールオリゴマー単分子接合の電流電圧特性 (2016)
  • Author(s): 美濃出 圭悟、アルブレヒト 建、波多 健太郎、下店 隆史、大戸 達彦、山田 亮、山元 公寿、夛田 博一
  • Organizer: 第６３回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] Structural Analysis of Oligthiophene Molecular Junction Using Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy (2016)
  • Author(s): T. Shimomise, J. Franchi, S. Tanaka, T. Ohto, R. Yamada and H. Tada
  • Organizer: Japan-Korea Winter Workshop 2016
  • Place of Presentation: Toyonaka, Osaka, Japan
  • Year and Date: 2016-01-13 – 2016-01-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Seebeck Coefficient of Endohedral Metallofullerene Molecular Junctions (2016)
  • Author(s): See Kei Lee, Marius Buerkle, Ryo Yamada, Yoshihiro Asai, and Hirokazu Tada
  • Organizer: Japan-Korea Winter Workshop 2016
  • Place of Presentation: Toyonaka, Osaka, Japan
  • Year and Date: 2016-01-13 – 2016-01-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurements of molecular junctions in solid-state devices using self-assembled monolayers (2016)
  • Author(s): Mariko Yamaguchi, Tatsuhiko Ohto, Ryo Yamada, and Hirokazu Tada
  • Organizer: Japan-Korea Winter Workshop 2016
  • Place of Presentation: Toyonaka, Osaka, Japan
  • Year and Date: 2016-01-13 – 2016-01-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simultaneous measurements of the thermoelectric voltage and electrical conductance of single-molecule junctions by a scanning tunneling microscopy break junction method (2016)
  • Author(s): K. Hata, S. K. Lee, R. Yamada, H. Tada
  • Organizer: Japan-Korea Winter Workshop 2016
  • Place of Presentation: Toyonaka, Osaka, Japan
  • Year and Date: 2016-01-13 – 2016-01-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Current voltage characteristics of single molecule junctions of carbazole oligomers (2016)
  • Author(s): K. Minode, K. Hata, T. Shimomise, K. Albrecht, K. Yamashita, T. Ohto, R. Yamada, H. Tada
  • Organizer: Japan-Korea Winter Workshop 2016
  • Place of Presentation: Toyonaka, Osaka, Japan
  • Year and Date: 2016-01-13 – 2016-01-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of metal work function on large-area molecular junctions with single-layer graphene top contacts (2015)
  • Author(s): Mariko Yamaguchi, Takashi Ikuta, Yasushi Kanai, Tatsuhiko Ohto, Ryo Yamada, Yasuhide Ohno, Kenzo Maehashi, Kazuhiko Matsumoto, Hirokazu Tada
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, HW, USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low temperature mechanically controllable break junction of oligothiopene molecular wires (2015)
  • Author(s): Hirokazu Tada, Takashi Shimomise, Franchi Jimmy, Shoji Tanaka, Tatsuhiko Ohto, Ryo Yamada
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, HW, USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Probing spinterface in single molecular junctions by thermoelectric measurements (2015)
  • Author(s): Ryo Yamada, See Lee, Tatsuhiko Ohto, Hirokazu Tada
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, HW, USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single molecule electronic properties of perpendicularly connected porphyrin-imide dyads (2015)
  • Author(s): Zhijin Chen, Murni Handayani, Ryo Yamada, Hirokazu Tada, Hirofumi Tanaka, Takuji Ogawa
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, HW, USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis and conductance measurement of single molecular slide switch (2015)
  • Author(s): Takashi TAMAKi,Ryo Yamada, Hirokazu Tada, Takuji Ogawa
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, HW, USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis and measurements of molecules bearing nonsymmetric single-molecule electric properties (2015)
  • Author(s): Takuji Ogawa, Murni Handayani, Zhijin Chen, Naoya Sakata, Shunri Lee, Fumiya Miyamoto, Tomoko Inose, Ryo Yamada, Hirokazu Tada, Hirofumi Tanaka
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, HW, USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis and physical properties of a porphyrin Tb dinuclear complex designed for spintronics (2015)
  • Author(s): Naoya Sakata, Shunri Lee, Nobuto Sumitani, Tomoko Inose, Ryo Yamada, Hirokazu Tada, Daisuke Tanaka, Takuji Ogawa
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, HW, USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis, properties, and electrical conductance of insulated oligothiophenes having spiro-substituted fluorenes (2015)
  • Author(s): Yuji Okamoto, Yutaka Ie, Ryo Yamada, See Lee, Hirokazu Tada, Yoshio Aso
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, HW, USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical study of a contact-asymmetry effect on magnetoresistsnce of single molecular spin valves (2015)
  • Author(s): Tatsuhiko Ohto, Ryo Yamada, Hirokazu Tada
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, HW, USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三脚アンカー分子による単分子接合の伝導キャリア制御 (2015)
  • Author(s): Lee See Kei, 家 裕隆, 田中一成, 田代彩, Testai, Henrique Rosa, 山田 亮, 安蘇 芳雄, 夛田 博一
  • Organizer: 表面・界面スペクトロスコピー2015
  • Place of Presentation: 国立女性教育会館,（埼玉県・比企郡嵐山町）
  • Year and Date: 2015-11-27 – 2015-11-28
• [Presentation] Stochastic resonance with non-linear current-voltage characteristics of large-area molecular junctions (2015)
  • Author(s): Mariko Yamaguchi, Tatsuhiko Ohto, Ryo Yamada, and Hirokazu Tada
  • Organizer: he 2nd International Symposium of Interactive Materials Science Cadet Program (iSIMSC2)
  • Place of Presentation: Senri Hankyu Hotel, Osaka, Japan
  • Year and Date: 2015-11-18 – 2015-11-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三脚型アンカーを用いた単分子接合の熱起電力測定 (2015)
  • Author(s): Lee See Kei, Henrique R. Testai, 田中 一成, 田代 彩,家 裕隆, 安蘇芳雄, 山田 亮, 夛田博一
  • Organizer: 第９回領域横断研究会
  • Place of Presentation: 東京大学 理学部本館講堂および小柴ホール（東京都文京区）
  • Year and Date: 2015-11-13 – 2015-11-15
• [Presentation] ポルフィリンダブルデッカー型単分子磁石の電気伝導計算 (2015)
  • Author(s): 大戸達彦, 猪瀬朋子, 炭谷宣登, 田中大輔, 山田 亮, 小川琢治, 夛田博一
  • Organizer: 第６回分子アーキテクトニクス研究会
  • Place of Presentation: 京都大学ローム記念館（京都市・京都）
  • Year and Date: 2015-10-23 – 2015-10-24
• [Presentation] 被覆型長鎖オリゴチオフェンの単分子電気伝導特性に有効共役長が及ぼす影響 (2015)
  • Author(s): 岡本祐治, 家 裕隆, 山田 亮, 夛田博一, 安蘇芳雄
  • Organizer: 第６回分子アーキテクトニクス研究会
  • Place of Presentation: 京都大学ローム記念館（京都市・京都）
  • Year and Date: 2015-10-23 – 2015-10-24
• [Presentation] ポルフィリン環のアンカーとしての評価 (2015)
  • Author(s): 玉木 孝, 山田 亮, 夛田博一, 小川琢治
  • Organizer: 第６回分子アーキテクトニクス研究会
  • Place of Presentation: 京都大学ローム記念館（京都市・京都）
  • Year and Date: 2015-10-23 – 2015-10-24
• [Presentation] 走査トンネル顕微鏡ブレークジャンクション法によるテルビウム・ポルフィリンダ ブルデッカー型錯体の単分子電気計測 (2015)
  • Author(s): 酒井 駿, 炭谷宣登, 猪瀬朋子, 田中大輔, 大戸達彦, 山田 亮, 夛田博一, 小 川琢冶
  • Organizer: 第６回分子アーキテクトニクス研究会
  • Place of Presentation: 京都大学ローム記念館（京都市・京都）
  • Year and Date: 2015-10-23 – 2015-10-24
• [Presentation] A brief review on single-molecule electronics (2015)
  • Author(s): Ryo Yamada
  • Organizer: 2015 3rd Korea-Japan Joint Seminar
  • Place of Presentation: Seoul National Univ., Seoul, Korea
  • Year and Date: 2015-09-22 – 2015-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stochastic resonance in non-linear current-voltage characteristics of large-area molecular junctions (2015)
  • Author(s): Mariko Yamaguchi, Tatsuhiko Ohto, Ryo Yamada, and Hirokazu Tada
  • Organizer: 2015 3rd Korea-Japan Joint Seminar
  • Place of Presentation: Seoul National Univ., Seoul, Korea
  • Year and Date: 2015-09-22 – 2015-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermoelectric properties of pyridine and thiophene-based tripodal anchor units molecular junctions (2015)
  • Author(s): See Kei Lee, Yutaka Ie, Kazunari Tanaka, Aya Tashiro, Henrique Rosa Testai, Ryo Yamada, Yoshio Aso, Hirokazu Tada
  • Organizer: International Workshop on Molecular Architectonics
  • Place of Presentation: Shiretoko, Hokkaido, Japan
  • Year and Date: 2015-08-03 – 2015-08-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inelastic electron tunneling spectroscopy of Au/oligothiophene/Au molecular junctions (2015)
  • Author(s): Ryo Yamada, Takashi Shimomise, Jimmy Franchi, Tatsuhiko Ohto, Shoji Tanaka, Hirokazu Tada
  • Organizer: International Workshop on Molecular Architectonics
  • Place of Presentation: Shiretoko, Hokkaido, Japan
  • Year and Date: 2015-08-03 – 2015-08-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis, properties, and electrical conductance of insulated oligothiophenes having spiro-substituted fluorene (2015)
  • Author(s): Yuji Okamoto,Yutaka Ie, Ryo Yamada, See Kei Lee,Hirokazu Tada, and Yoshio Aso
  • Organizer: International Workshop on Molecular Architectonics
  • Place of Presentation: Shiretoko, Hokkaido, Japan
  • Year and Date: 2015-08-03 – 2015-08-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The electronic properties of donor-acceptor (DA) single molecular diode based on porphyrin-imide dyads (2015)
  • Author(s): Zhijin Chen, Murni Handayani, Hirofumi Tanaka, Ryo Yamada, Hirokazu Tada, Takuji Ogawa
  • Organizer: International Workshop on Molecular Architectonics
  • Place of Presentation: Shiretoko, Hokkaido, Japan
  • Year and Date: 2015-08-03 – 2015-08-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis and single molecular measurement of various porphyrin arrays with one thiolate anchoring group (2015)
  • Author(s): Takashi Tamaki, Ryo Yamada, Hirokazu Tada, Takuji Ogawa
  • Organizer: International Workshop on Molecular Architectonics
  • Place of Presentation: Shiretoko, Hokkaido, Japan
  • Year and Date: 2015-08-03 – 2015-08-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural Analysis of Au/Oligothiophene/Au Molecular Junctions by Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy (2015)
  • Author(s): Takashi Shimomise, Jimmy Franchi, Shoji Tanaka, Tatsuhiko Ohto, Ryo Yamada, and Hirokazu Tada
  • Organizer: 2nd Japan-Korea Joint Seminar
  • Place of Presentation: Osaka University, Toyonaka, Osaka, Japan
  • Year and Date: 2015-07-10 – 2015-07-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermoelectric Voltage Measurements of Pyridine and Thiophene-based Tripodal Anchor Molecular Junctions (2015)
  • Author(s): Henrique R. Testai, See Kei Lee, Yutaka Ie, Kazunari Tanaka, Aya Tashiro, Yoshio Aso, Ryo Yamada, and Hirokazu Tada
  • Organizer: 2nd Japan-Korea Joint Seminar
  • Place of Presentation: Osaka University, Toyonaka, Osaka, Japan
  • Year and Date: 2015-07-10 – 2015-07-10
• [Presentation] 単一分子のキャリア輸送特性の計測 (2015)
  • Author(s): Lee See Kei, 田中彰治, 大戸達彦, 山田亮, 夛田博一
  • Organizer: 第１８回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府・豊中市）
  • Year and Date: 2015-05-20 – 2015-05-22