2015 Fiscal Year Research-status Report
直鎖アルカンの脱水素重合によるグラフェンナノリボンのエッジ制御
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26390061
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
遠藤 理 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30343156)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | グラフェンナノリボン / 脱水素反応 / 金単結晶 / Ｘ線吸収分光 / 直鎖アルカン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は金(111)面に作成した直鎖アルカン単分子層を真空加熱による脱水素反応によってグラフェンナノリボンに変換する反応の詳細を明らかにすることを目的としている。反応経路の解析により、バンドギャップに大きく影響するエッジの構造やリボン幅を制御する作成手法として確立することを目指す。本年度はアルカン単分子層の初期吸着構造における炭素骨格面の配向に着目し、炭素骨格面の配向の異なる単分子層の作成条件の確立と、初期配向が脱水素反応に与える影響の考察を行った。単分子層はこれまで溶液からの吸着によって作成していたが、新たに超高真空中で蒸着法により作成した単分子層と比較検討を行った。炭素のK吸収端X線吸収微細構造分光(C K-NEXAFS)により、真空蒸着試料では炭素骨格面が傾いた配向(tilted-on配向)の分子が存在していることが分かった。この結果はこれまで観察されてきた炭素骨格面が基板に平行な配向(flat-on配向)の分子のみからなる単分子層とは異なっている。走査トンネル顕微鏡観察(STM)の結果から、この単分子層内では分子がより密に充填された状態にあることが明らかとなった。さらに昨年度立ち上げを行った電気化学環境下におけるその場観察赤外反射吸収分光(IRAS)による測定を行い、硫酸水溶液中の電位誘起吸脱着を利用して解析を行ったところ、全分子が可逆的に吸脱着する様子が観察されたことから、単分子層が均一であることが示唆された。試料の蒸着量依存を測定したところ、tilted-on配向の分子を含む単分子層は蒸着量が多い場合に現れる構造で、作成環境が溶液であるか真空であるかに依存するものではないことが分かった。また加熱による脱水素反応においては、tilted-on配向の分子からなる単分子層から出発した場合の方が芳香環骨格の形成が早くなることが分かった。
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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
平成27年度はグラフェンナノリボンの構造制御の手掛かりとなると考えていた初期配向の異なるアルカン単分子層の作成条件を整理することができた。IRAS装置を研究室に設置することにより、配向決定を簡便に行うことができるようになった。また、蒸着量と初期配向の違いによる芳香環形成速度の相違を見出した。一方エッジの構造としては初期配向によらずアームチェア型のものが得られていると考えられ、ジグザグ型を得るためには異なるアプローチが必要となることが課題として残っている。昨年度までの実験上の問題点であった不純物混入の可能性を検討するため、本年度は真空度を改善したチャンバー内で測定を行った。その結果グラフェンナノリボンの室温における最水素化は観測されなかったため、これまで観測されていた反応後のスペクトルの変化は炭化水素不純物の吸着が原因であったことが明らかとなった。C K-NEXAFSスペクトルにおけるπ*軌道への遷移(π*遷移)のエネルギーから、flat-on配向の単分子層を550 K程度で加熱した際に生じる生成物は鎖状のポリエンであると示唆されていたが、臭素をdoseすることによってπ*遷移の強度が減少したことから非芳香族性の不飽和結合であることが裏付けられた。一方、tilted-on配向の単分子層を同じ温度で加熱した場合のπ*遷移は減少しなかった。このことからtilted-on配向の単分子層から出発した場合芳香環の形成が早くなることの傍証が得られたと考えているが、より詳しくは臭素の量と付加反応の反応性との関連などの検討が必要である。また脱水素反応後の分子の再配列を促し、より規定された構造のグラフェンナノリボンを得る試みに関しては、最終年度の課題となっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度の本年度は当初の研究目的である、ジグザグエッジを持つグラフェンナノリボンの作成を目標におき、脱水素と芳香環生成の各過程の更なる詳細な検討を行う。また、研究過程で明らかになった各段階における生成物を利用したデバイス作成につなげるよう、それぞれの電気的な性質を明らかにする。具体的にはまず吸着量の少ないflat-on配向の分子からなる単分子層において500 K程度に加熱して得られるポリエンの状態を解析する。臭素を始めとするハロゲンのdoseによって得られるハロゲン化物の解析により、水素が脱離する炭素の位置に関する考察をSTM観察、IRAS測定などにより行う。ハロゲンのdose量とπ*遷移強度の変化の定量的な解析を行って、付加反応性を詳しく検討する。また、シストランス異性体の判定をするためC K-NEXAFSスペクトルをより高分解能で測定しπ*遷移の分裂の度合いを調べる。トランス型の場合ピークの分裂が予測される。構造の規定されたグラフェンナノリボン生成のため、脱水素反応における分子配列の変化を最小にするよう基板を加熱した状態における蒸着や、より低温での加熱、蒸着と加熱の繰り返しなどによる反応条件の検討を行う。また、ポリエンの再配列を促すため、加熱や溶媒処理などと行う。芳香環の形成後はハロゲンが付加反応を起こさずドーピングを起こすので、ドーピングによるπ*遷移エネルギーの変化とdose量との関連から電荷量と伝導度に関する考察を行う。またドーパントであるハロゲンの位置と変化するπ*軌道との関連から局所的に伝導度を変化させる手法の手がかりを得る。
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| Causes of Carryover |
本年度は必要な物品として真空蒸着を可能にするための膜厚計、直流電源などを購入したが、当初予算額よりも低価格の新製品を購入するなどしたため残余額が生じたことと、消耗品等も年度内は不足がなかったので、次年度に繰り越すことで有効に使用することとしたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度購入予定の真空部品や材料費などの消耗品購入に充てる。
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Research Products
(3 results)
