コロイド半導体量子ドットの１次元配列制御

• Project/Area Number: 20H02554
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28010:Nanometer-scale chemistry-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 夫 勇進 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (00350489)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2022: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2021: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2020: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
• Keywords: 量子ドット / 自己集合 / 配列 / コロイド量子ドット

Outline of Research at the Start

環状配位子と高分子テンプレートにより連結方向・粒子間距離を精密に制御したコロイド半導体量子ドット(quantum dot, QD)の１次元配列、電子状態のカップリングによるミニバンドの形成を実現する。カリックス[n]アレーンを主骨格として環サイズ、配位サイトおよび側鎖の異なる環状配位子を合成し、コロイド半導体QDを修飾する。環状配位子の選択修飾は、QDの連結方向、側鎖はQD間の連結距離の制御を可能とする。さらに、高分子テンプレートへの吸着により長周期1次元超構造を創出する。QDサイズと環サイズの比により高分子テンプレート上での量子ドット間距離を精密に制御する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、新規環状配位子により連結方向・距離を精密に制御したコロイド半導体量子ドット（CS-QD）の低次元超構造の創製を目的とする。環状配位子は、その特異な構造から、多点配位効果による強固な結合、幾何学的制約による球状粒子表面への選択的修飾、および環サイズに対応した粒子のサイズ選択性といった一般的な直鎖配位子とは異なる機能を秘めている。環サイズ、配位サイト、および側鎖構造の異なる環状配位子を合成し、CS-QDへの修飾メカニズムを明らかにする。環状配位子の選択修飾は、CS-QDの連結方向の制御、側鎖基はCS-QD間の連結距離の制御を可能とする。本年度は、ベースとなる環状配位子の合成を検討した。反応条件を試行錯誤することで環状化合物を得る条件を見出した。出発原料を変更することで2種類の異なる繰り返しユニットを有する環状化合物を得た。環構造およびサイズの同定には核磁気共鳴スペクトル測定、サイズ排除クロマトグラフィーおよび質量分析により行った。本研究の基盤となる環状構造体の合成は重要な成果であり、課題の進捗状況は概ね良好であると考えている。本年度は、ベースとなる環状配位子の合成を検討した。核磁気共鳴スペクトル測定、サイズ排除クロマトグラフィーおよび質量分析から様々なサイズの環状分子が得られることを確認した。今後はCS-QDとの複合化に向けてサイズ分画や官能基変換を進めていく。その後、合成された様々な環サイズと配位サイトを有する環状化合物ライブラリーの作成し、CS-QDへの表面修飾条件を検討する。配位子の環サイズ、配位サイトの違いによるCS-QDの配列様式の変化から環状構造を用いたCS-QDの修飾メカニズムの解明に取り組む。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

環状構造体は一般的な直鎖配位子によるナノ微粒子の表面修飾とは異なる機能・自己組織化挙動を探索するための材料であり、その合成は本研究の進展において重要な課題である。本年度は出発原料を変更することで2種類の異なる繰り返しユニットを有する環状化合物を得ることに成功しており、進捗状況は概ね良好である。

Strategy for Future Research Activity

来年度は得られたCS-QDとの複合化に向けて最適な配位サイトへの変換を検討していく。また、今回得られた環状化合物は様々な環サイズからなるもののため、分取サイズ排除クロマトグラフィー装置を用いてサイズ分画に取り組む。環サイズは本研究において重要な因子となるため、可能な限り分子量分布の狭いものを得る。具体的にはMw/Mn = 1.05以下を目指す。これらによって合成された様々な環サイズと配位サイトを有する環状化合物ライブラリーの作成し、CS-QDへの表面修飾条件を検討する。配位子の環サイズ、配位サイトの違いによるCS-QDの配列様式の変化から環状構造を用いたCS-QDの修飾メカニズムの解明に取り組む。