基板上合成による超高次アセン及びその金属錯体の合成と電子構造の解明

• 研究課題/領域番号: 18K19118
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 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: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 山田 容子 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (20372724)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2019年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2018年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: アセン / ノナセン / グラフェンナノリボン / 走査型プローブ顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / 開殻構造 / 高次アセン / 走査型トンネル顕微鏡 / 金複合体 / 前駆体法 / 光反応 / 走査型プローブ顕微鏡(STM) / ノンコンタクト原子間力顕微鏡(nc-AFM) / AFM / STM / 金属錯体 / 前駆体

研究成果の概要

ベンゼン環が直線上に縮環したアセンは優れた有機半導体材料として高く注目されているが、ペンタセン(ベンゼン数N=5)以上の高次アセンは酸化に対して不安定であること、有機溶媒に難溶であることから合成や誘導体化が困難である。そこでノナセン(N=9)の光前駆体を合成し、超高真空下金基板上で光照射することでノナセン(N=9)の合成に成功した。ヘプタセン(N=7)やノナセンの電子構造を走査型プローブ顕微鏡(STM)やノンコンタクト原子間力顕微鏡(nc-AFM)で観測し、HOMO-LUMOのエネルギーギャップを理論値と比較することで、ヘキサセン以上のアセンは一重項開殻構造を有していることを実証した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

1965年に予測された半導体の集積度に関する「ムーアの法則」が2017年に終焉を迎えたと宣言され、ポストシリコン材料としてナノカーボン材料への期待は高く、グラフェン・カーボンナノチューブ・グラフェンナノリボン(GNR)の合成開発が盛んである。しかし、長さ・幅の規定されたGNR、特にジグザグエッジナノリボン(ZGNR)は、導電性を持つと予測されるもののエッジがラジカル性を帯びるため不安定で、単離が困難である。アセンはGNRの部分構造であるとともにボトムアップ合成のユニットとしても注目されており、その電子構造の解明は学術的にも、応用の上からも重要な知見となる。

研究成果

• [国際共同研究] EMPA/University of Bern(スイス)
• [国際共同研究] Max Plank Institue of Polymer Research(ドイツ)
• [国際共同研究] EMPA(スイス)
• [雑誌論文] Overcoming Steric Hindrance in Aryl‐Aryl Homocoupling via On‐Surface Copolymerization (2019)
  • 著者名/発表者名: Jose I. Urgel, Marco Di Giovannantonio, Guido Gandus, Qiang Chen, Xunshan Liu, Hironobu Hayashi, Pascal Ruffieux, Silvio Decurtins, Akimitsu Narita, Daniele Passerone, Hiroko Yamada, Shi‐Xia Liu, Klaus Mullen, Carlo A. Pignedoli, Roman Fasel
  • 雑誌名: ChemPhysChem 巻: 20 号: 18 ページ: 2360-2366
  • DOI: 10.1002/cphc.201900283
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] On-surface light-induced generation of higher acenes and elucidation of their open-shell character (2019)
  • 著者名/発表者名: Urgel Jose I.、Mishra Shantanu、Hayashi Hironobu、Wilhelm Jan、Pignedoli Carlo A.、Di Giovannantonio Marco、Widmer Roland、Yamashita Masataka、Hieda Nao、Ruffieux Pascal、Yamada Hiroko、Fasel Roman
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 861-861
  • DOI: 10.1038/s41467-019-08650-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] On-Surface Synthesis of Large Acenes and Graphene Nanoribbons (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroko Yamada
  • 学会等名: The 3rd Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] On-surface light-induced generation of higher acenes (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroko Yamada
  • 学会等名: ICMAT2019 10th International Conference on Materials for Advanced Technologies
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] On-surface light-induced synthesis of higher acenes from alpha-diketone-type precursors (2019)
  • 著者名/発表者名: Hironobu Hayashi, Hiroko Yamada
  • 学会等名: 14th International Symposium on Functional pi-Electron Systems
  • 国際学会
• [学会発表] On-Surface Synthesis of Large Acenes and Graphene Nanoribbons (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroko Yamada
  • 学会等名: 11h Conference in CEMES, France
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] On-Surface Synthesis of Large Acenes and Graphene Nanoribbons (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroko Yamada
  • 学会等名: Conference in Strasbourg University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] On-Surface Synthesis of Large Acenes and Graphene Nanoribbons (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroko Yamada
  • 学会等名: Conference in Bordeaux University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] On-Surface Synthesis of Large Acenes and Graphene Nanoribbons (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroko Yamada
  • 学会等名: Conference in Renne University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] On-surface synthesis of higher acenes by precursor approach (2019)
  • 著者名/発表者名: Hironobu Hayashi
  • 学会等名: Lecture in BUCH
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of pi-Extended Aromatic Materials Using Precursor Approach (2019)
  • 著者名/発表者名: 山田 容子
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会
  • 招待講演
• [学会発表] 前駆体法による機能性材料開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山田 容子
  • 学会等名: ハリス理化学研究所イブニングセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Visible-light-induced photodecarbonylation of a-diketone-type large acene precursors on Au(111) surface (2018)
  • 著者名/発表者名: Hironobu Hayashi, Hiroko Yamada
  • 学会等名: 第55回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン学会
• [学会発表] Synthesis and Characterization of Large Acenes and Porphyrin(2.1.2.1) Nanobelt (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroko Yamada
  • 学会等名: The third international symposium on the synthesis and application of curved organic pi-molecules & materials(Curo-pi-3)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Precursor Approach for On-Surface Synthesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroko Yamada, Hironobu Hayashi
  • 学会等名: International workshop On-Surface Synthesis (OSS18)
  • 国際学会
• [学会発表] On-Surface Synthesis of Self-Assembled Graphene Nanoribbon from Partially Fluorinated Precursors (2018)
  • 著者名/発表者名: Hironobu Hayashi, Hiroko Yamada
  • 学会等名: International workshop On-Surface Synthesis (OSS18)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考]
  • URL: https://mswebs.naist.jp/LABs/env_photo_greenmat/publication.html
• [備考] 奈良先端科学技術大学院大学先端科学技術研究科
  • URL: http://mswebs.naist.jp/LABs/env_photo_greenmat/publication.html