共役高分子骨格の構造と電子輸送性～界面構造・骨格構造変形とキャリア種の全貌～

• 研究課題/領域番号: 18H03918
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分35:高分子、有機材料およびその関連分野
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 関 修平 京都大学, 工学研究科, 教授 (30273709)
• 研究分担者: 櫻井 庸明 京都大学, 工学研究科, 助教 (50632907) ; 酒巻 大輔 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (60722741)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 44,590千円 (直接経費: 34,300千円、間接経費: 10,290千円); 2021年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円); 2020年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円); 2019年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円); 2018年度: 19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)
• キーワード: 界面 / 共役高分子 / 電子輸送 / 光エネルギー / 水素発生 / ２次元 / COF / ポリアセチレン / 移動度 / TRMC / スピン輸送 / FMR / 骨格構造 / FI-TRMC / ESR / マイクロ波 / 伝導度 / Ellipticine / 持続長 / 電荷移動度

研究成果の概要

本研究では，共役高分子界面・変形下での電子輸送特性を，定量分析できる3つの計測装置： TRMC@Interfaces・TRMC-＠Transformation・TRMC -Impedance複合計測法を用いて，高分子骨格構造の特異点である高分子―固体界面における電荷移動度を選択的な計測を実現した．特に２次元界面内での高分子凝集構造・骨格規則性を反映して，共役物質－絶縁体界面に高い伝導層と顕著な異方伝導特性が存在することを明らかとした．また，伝導特性を最大限に引き出す２次元共役電子系を設計し，この界面伝導特性と酸化還元反応の評価をすすめ，高効率水素発生系へと展開が可能であることを示した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で開発した計測法はいずれも、界面における電子伝導特性を非接触・非破壊で定量分析する手法として，これまで存在しなかった“測れなかったものを測る”計測法でもある．特に，骨格自由度の大きな共役高分子が界面においてどのような凝集構造・骨格構造を取り，その電子共役系が電子輸送に対しどこまで有効に働くか，という共役高分子を用いた電子材料開発に欠かせない計測法を提供する．外場による高分子骨格の変調構造・界面における共役骨格の微視的構造因子と電荷輸送特性の関連を今後さらに回折手法と組み合わせて定量評価することで，理想的な界面構造は何か？という大きな課題に決定的な解を与えられると考えている．

研究成果

• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology/Ruprecht-Karls-Universitaet(ドイツ)
• [国際共同研究] University of the Basque Country(スペイン)
• [国際共同研究] Institute of Nano Science(中国)
• [国際共同研究] Universidad Complutense de Madrid(スペイン)
• [国際共同研究] Indian Institute of Science(インド)
• [国際共同研究] Technische Universitat Dresden(ドイツ)
• [国際共同研究] Northwestern University(米国)
• [国際共同研究] Universidad Complutense de Madrid(スペイン)
• [国際共同研究] Indian Institute of Science(インド)
• [雑誌論文] Facile synthesis of an ambient stable pyreno[4,5-b]pyrrole monoanion and pyreno[4,5-b:9,10-b′]dipyrrole dianion: from serendipity to design (2022)
  • 著者名/発表者名: Kumar Sharvan、Yoshida Kohshi、Hattori Yusuke、Higashino Tomohiro、Imahori Hiroshi、Seki Shu
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 13 号: 6 ページ: 1594-1599
  • DOI: 10.1039/d1sc06070h
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Band-like Transport of Charge Carriers in Oriented Two-Dimensional Conjugated Covalent Organic Frameworks (2022)
  • 著者名/発表者名: Ghosh Samrat、Tsutsui Yusuke、Kawaguchi Takahiro、Matsuda Wakana、Nagano Shusaku、Suzuki Katsuaki、Kaji Hironori、Seki Shu
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 34 号: 2 ページ: 736-745
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c03533
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dendritic-Like Molecules Built on a Pillar [5] arene Core as Hole Transporting Materials for Perovskite Solar Cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Ottavia Bettucci, Jorge Pascual, Silver-Hamill Turren-Cruz, Andrea Cabrera-Espinoza, Wakana Matsuda, Sebastian F Voelker, Hans Koebler, Iwona Nierengarten, Gianna Reginato, Silvia Collavini, Shu Seki, Jean-Francois Nierengarten, Antonio Abate, Juan Luis Delgado
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 31 号: 31 ページ: 8110-8117
  • DOI: 10.1002/chem.202101110
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Interplay of structural dynamics and electronic effects in an engineered assembly of pentacene in a metal?organic framework (2021)
  • 著者名/発表者名: Haldar Ritesh、Kozlowska Mariana、Ganschow Michael、Ghosh Samrat、Jakoby Marius、Chen Hongye、Ghalami Farhad、Xie Weiwei、Heidrich Shahriar、Tsutsui Yusuke、Freudenberg Jan、Seki Shu、Howard Ian A.、Richards Bryce S.、Bunz Uwe H. F.、Elstner Marcus、Wenzel Wolfgang、W?ll Christof
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 12 号: 12 ページ: 4477-4483
  • DOI: 10.1039/d0sc07073d
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Protein-directed crystalline 2D fullerene assemblies (2020)
  • 著者名/発表者名: Mantas Liutkus, Alicia Lopez-Andarias, Sara Mejias, Javier Lopez-Andarias, David Gil-Carton, Ferran Feixas, Silvia Osuna, Wakana Matsuda, Tsuneaki Sakurai, Shu Seki, Carmen Atienza, Nazario Martin, Aitziber L. Cortajarena
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 12 号: 6 ページ: 3614-3622
  • DOI: 10.1039/c9nr07083d
  • NAID: 120006895411
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fermi Level Pinning Induced by Doping in Air Stable n-Type Organic Semiconductor (2020)
  • 著者名/発表者名: Shikha Sharma, S. Ghosh, Tanweer Ahmed, Suman Ray, Saurav Islam, Ulrike Salzner, Arindam Ghosh, S. Seki, Satish Patil
  • 雑誌名: ACS Appl. Electron. Mater. 巻: 2 号: 1 ページ: 66-73
  • DOI: 10.1021/acsaelm.9b00742
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Identification of Prime Factors to Maximize the Photocatalytic Hydrogen Evolution of Covalent Organic Frameworks (2020)
  • 著者名/発表者名: Ghosh, S., Nakada, A., Springer, M.A., Kawaguchi, T., Suzuki, K., Kaji, H., Baburin, I., Kuc, A., Heine, T., Suzuki, H., Abe, R. and Seki, S.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: - ページ: 9752-9762
  • DOI: 10.1021/jacs.0c02633
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electrically Switchable Amplified Spontaneous Emission from Liquid Crystalline Phase of an AIEE‐Active ESIPT Molecule (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsutsui Yusuke、Zhang Wanying、Ghosh Samrat、Sakurai Tsuneaki、Yoshida Hiroyuki、Ozaki Masanori、Akutagawa Tomoyuki、Seki Shu
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: - 号: 14 ページ: 1902158-1902158
  • DOI: 10.1002/adom.201902158
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Porphyrin Nanowires Developed by High-Energy Single Particle-Triggered Intra-Track Polymerization: Design, Property, and Conjugation with Metal Nanoparticles (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuneaki Sakurai, Shugo Sakaguchi, Yuki Takeshita, Kazuto Kayama, Akifumi Horio, Masaki Sugimoto, Tetsuya Yamaki, Atsuya Chiba, Yuichi Saitoh, G.B.V.S. Lakshmi, Devesh Kumar Avasthi, and Shu Seki
  • 雑誌名: ACS Appl. Nano. Mater. 巻: 3 号: 6 ページ: 6043-6053
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c01242
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Helical Pore Alignment on Cylindrical Carbon (2020)
  • 著者名/発表者名: Jun Maruyama, Tsutomu Shinagawa, Mitsuru Watanabe, Yukiyasu Kashiwagi, Shohei Maruyama, Toru Nagaoka, Wakana Matsuda, Yusuke Tsutsui, Shu Seki, Hiroshi Uyama
  • 雑誌名: Small 巻: 16 号: 2 ページ: 1905916-1905916
  • DOI: 10.1002/smll.201905916
  • 査読あり
• [雑誌論文] Repurposing DNA-binding agents as H-bonded organic semiconductors (2019)
  • 著者名/発表者名: Fengjiao Zhang, Vincent Lemaur, Wookjin Choi, Prapti Kafle, Shu Seki, Jerome Cornil, David Beljonne, Ying Diao
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 4217-4217
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12248-9
  • NAID: 120006726160
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of Unsymmetrical Alkyl-Fluoroalkyl Side Chains over Coil-to-Rod Transition of Soluble Polyacetylenes: Modulation of Electronic Conjugation of Isolated Chains and Their Self-Assembly (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Motomura, Yusuke Hattori, Tsuneaki Sakurai, Samrat Ghosh, Shu Seki
  • 雑誌名: Macromolecules 巻: 52 号: 13 ページ: 4916-4925
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.9b00629
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rod-like transition first or chain aggregation first? ordered aggregation of rod-like poly(p-phenyleneethynylene) chains in solution (2019)
  • 著者名/発表者名: Hattori Yusuke、Nishimura Nozomi、Tsutsui Yusuke、Ghosh Samrat、Sakurai Tsuneaki、Sugiyasu Kazunori、Takeuchi Masayuki、Seki Shu
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 55 号: 89 ページ: 13342-13345
  • DOI: 10.1039/c9cc06892a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dicyanomethyl Radical-Based Near-Infrared Thermochromic Dyes with High Transparency in the Visible Region (2019)
  • 著者名/発表者名: Okino Kohei、Sakamaki Daisuke、Seki Shu
  • 雑誌名: ACS Materials Letters 巻: 1 号: 1 ページ: 25-29
  • DOI: 10.1021/acsmaterialslett.9b00049
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly Miscible Hybrid Liquid-Crystal Systems Containing Fluorescent Excited-State Intramolecular Proton Transfer Molecules (2019)
  • 著者名/発表者名: Zhang Wanying、Suzuki Satoshi、Cho SeongYong、Watanabe Go、Yoshida Hiroyuki、Sakurai Tsuneaki、Aotani Mika、Tsutsui Yusuke、Ozaki Masanori、Seki Shu
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 35 号: 43 ページ: 14031-14041
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b02272
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cold Crystallization of Ferrocene-Hinged pi-Conjugated Molecule Induced by Limited Conformational Freedom of Ferrocene (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuki Tsujimoto, Tsuneaki Sakurai, Yuichiro Ono, Shusaku Nagano, Shu Seki
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 123 号: 39 ページ: 8325-8332
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b06880
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of dissociative quasi-free electron attachment to nucleoside via excited anion radical in solution (2019)
  • 著者名/発表者名: Jun Ma, Anil Kumar, Yusa Muroya, Shinichi Yamashita, Tsuneaki Sakurai, Sergey A. Denisov, Michael D. Sevilla, Amitava Adhikary, Shu Seki, Mehran Mostafavi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 102-102
  • DOI: 10.1038/s41467-018-08005-z
  • NAID: 120006549300
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of the position of the imine linker on the optoelectronic performance of マ?-conjugated organic frameworks (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Ghosh, Y. Tsutsui, K. Suzuki, H. Kaji, K. Honjo, T. Uemura, and S. Seki
  • 雑誌名: Mol. Syst. Des. Eng. 巻: 4(2) 号: 2 ページ: 325-331
  • DOI: 10.1039/c8me00079d
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Integrated Electromagnetic Wave Spectroscopy Techniques: A Powerful Tool for Optoelectronic and Biochemical Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Shu SEKI
  • 学会等名: The 4th Materials Chemistry Frontiers International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CARBON-BASED ELECTRONIC MATERIALS AND INTERFACES: NON-CONTACT APPROACH (2018)
  • 著者名/発表者名: Shu SEKI
  • 学会等名: 2nd From Carbon-Rich Molecules to Carbon-Based Materials Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Organic Semiconductor Molecules at the Interfaces: Non-Contact Assessment by Microwave Electrical Conductivity Measurements (2018)
  • 著者名/発表者名: Shu SEKI
  • 学会等名: 233rd ECS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演