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シングレットフィッションへの静電場印加効果の理論的解明と新物質設計

研究課題

研究課題/領域番号 20J20287
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分32010:基礎物理化学関連
研究機関大阪大学

研究代表者

當波 孝凱  大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
3,100千円 (直接経費: 3,100千円)
2022年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2021年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2020年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
キーワード一重項分裂 / シングレットフィッション / エキシトンダイナミクス / 分子動力学計算 / 量子化学計算 / 有機太陽電池 / 外部静電場印加 / 量子ダイナミクス / 振電相互作用
研究開始時の研究の概要

シングレットフィッション(SF)は、1つの一重項励起子が、2つの三重項励起子に分裂するという現象であり、太陽電池や非線形光学材料などの性能を向上させる可能性がある。高効率なSFの発現に向け、これまで化学修飾によるSF分子の設計が理論・実験の両面から盛んに行われてきたが、申請者はSFの物理的制御に着目し、静電場印加による高効率なSFの発現機構の可能性を予測した。本研究では、量子化学計算と量子ダイナミクスの手法を用いて、SFへの静電場印加効果を理論的に解明し、静電場によるSF制御指針の構築および静電場駆動型SFという新奇なSFを発現する物質の設計を行うことを目的とする。

研究実績の概要

最終年度である本年度は、分子集合系内でのシングレットフィッション(SF)現象を記述するために重要な要素である原子核運動の効果を(i)分子内振動と(ii)分子間振動の場合について検討した。(i)分子内振動に関しては、代表的なSF分子系であるオリゴアセン系へのヘテロ置換が、分子内振動の変化を通じて振電相互作用と電子ダイナミクスに与える影響を検討した。その結果、窒素原子の導入により、電子状態と特定の分子内振動との相互作用が強くなること、ならびにその機構を解明した。さらに、フロンティア軌道エネルギーが顕著に変化する位置への窒素原子導入が、SFによる相関三重項対(TT)状態の生成を高速化させることを明らかにした。(ii)分子間振動に関しては、分子間振動による分子間相対配置の揺らぎがSF現象に与える影響を検討した。これを明らかにするため、分子の集団運動を古典論的に考慮した量子-古典ハイブリッド型のエキシトンダイナミクス計算・解析手法を新たに構築した。ペンタセン結晶モデルに対して分子間振動を考慮した結果、非常に短い時間スケールで励起状態の量子的な重ね合わせ状態が崩壊し、TT状態が高速に生成する機構を解明した。さらに、分子集合系の電子状態と相互作用する分子間振動の様式に依存した励起状態緩和過程を明らかにした。
以上の取り組みによって、SF現象そのものの機構解明、ならびに、SFへの静電場印加効果の解明に成功した。構築した理論枠組みや得られた成果は、新規SF物質材料の創成や新規機能の開拓にも大きく貢献すると期待される.

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 4件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Effects of introducing nitrogen atoms into oligoacene skeleton on vibronic coupling and singlet fission dynamics2023

    • 著者名/発表者名
      Tonami Takayoshi、Nakano Masayoshi、Kishi Ryohei、Kitagawa Yasutaka
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 813 ページ: 140311-140311

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2023.140311

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Theoretical Study on Thermal Structural Fluctuation Effects of Intermolecular Configurations on Singlet Fission in Pentacene Crystal Models2023

    • 著者名/発表者名
      Tonami Takayoshi、Miyamoto Hajime、Nakano Masayoshi、Kishi Ryohei、Kitagawa Yasutaka
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry A

      巻: 127 号: 8 ページ: 1883-1893

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.2c08864

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical study on the effect of applying an external static electric field on the singlet fission dynamics of pentacene dimer models2021

    • 著者名/発表者名
      Tonami Takayoshi、Sugimori Ryota、Sakai Ryota、Tokuyama Kazuaki、Miyamoto Hajime、Nakano Masayoshi
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 23 号: 20 ページ: 11624-11634

    • DOI

      10.1039/d1cp00880c

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical Study on Third-Order Nonlinear Optical Properties for One-Hole-Doped Diradicaloids2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Wataru、Matsui Hiroshi、Miyamoto Hajime、Tonami Takayoshi、Sugimori Ryota、Yoneda Kyohei、Kishi Ryohei、Nakano Masayoshi
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 6 号: 4 ページ: 3046-3059

    • DOI

      10.1021/acsomega.0c05424

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Theoretical Molecular Design of Phenanthrenes for Singlet Fission by Diazadibora-Substitution2020

    • 著者名/発表者名
      Takanori Nagami, Hajime Miyamoto, Wataru Yoshida, Kenji Okada, Takayoshi Tonami, Masayoshi Nakano
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. A

      巻: 124 号: 34 ページ: 6778-6789

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.0c05359

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Quantum design for singlet-fission-induced nonlinear optical systems: Effects of π-conjugation length and molecular packing of butterfly-shaped acenes2020

    • 著者名/発表者名
      Tonami Takayoshi、Nagami Takanori、Okada Kenji、Yoshida Wataru、Miyamoto Hajime、Nakano Masayoshi
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 153 号: 8 ページ: 084304-084304

    • DOI

      10.1063/5.0013985

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Vibronic coupling density analysis and quantum dynamics simulation for singlet fission in pentacene and its halogenated derivatives2020

    • 著者名/発表者名
      Nagami Takanori、Tonami Takayoshi、Okada Kenji、Yoshida Wataru、Miyamoto Hajime、Nakano Masayoshi
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 153 号: 13 ページ: 134302-134302

    • DOI

      10.1063/5.0024746

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] ペンタセン分子集合系における一重項分裂ダイナミクスに関する理論研究2023

    • 著者名/発表者名
      當波 孝凱,岸 亮平,北河 康隆
    • 学会等名
      凝縮系の理論化学
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 一重項分裂過程に寄与する励起状態の振電相互作用:フラグメント分割法に基づく計算/解析2022

    • 著者名/発表者名
      當波 孝凱,中野 雅由,岸 亮平,北河 康隆
    • 学会等名
      第24回理論化学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Theoretical Study on Vibronic Couplings of Excited States Contributing to Singlet Fission in Pentacene Crystal2022

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Tonami, Ryohei Kishi, Yasutaka Kitagawa
    • 学会等名
      25th IUPAC Conference on Physical Organic Chemistry (ICPOC25)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ペンタセン誘導体の一重項分裂過程における振電相互作用に関する理論研究2022

    • 著者名/発表者名
      當波 孝凱,中野 雅由,岸 亮平,北河 康隆
    • 学会等名
      第16回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 外部静電場が一重項分裂ダイナミクスに与える影響に関する理論研究2022

    • 著者名/発表者名
      當波 孝凱, 岡田 健治, 宮本 孟, 岸 亮平, 北河 康隆, 中野 雅由
    • 学会等名
      福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 一重項分裂過程に寄与する励起状態の振電相互作用についての理論研究2022

    • 著者名/発表者名
      當波 孝凱, 岡田 健治, 宮本 孟, 岸 亮平, 北河 康隆, 中野 雅由
    • 学会等名
      日本化学会 第102回春季年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 一重項分裂ダイナミクスに対する外部静電場印加効果に関する理論研究2021

    • 著者名/発表者名
      當波孝凱, 杉森亮太, 宮本孟, 岡田健治, 坂井亮太, 中野雅由
    • 学会等名
      第23回理論化学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ペンタセン結晶中における一重項分裂透熱状態の振電相互作用に関する理論研究2021

    • 著者名/発表者名
      當波 孝凱,岡田 健治,宮本 孟,杉森 亮太,坂井 亮太,徳山 和明,中野 雅由
    • 学会等名
      第15回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Theoretical study on the effect of external static electric field application on singlet fission dynamics2021

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Tonami, Kenji Okada, Hajime Miyamoto, Ryota Sugimori, Ryota Sakai, Masayoshi Nakano
    • 学会等名
      Pacifichem 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] バタフライ型アセンの一重項分裂誘起非線形光学特性に関する理論研究2021

    • 著者名/発表者名
      當波孝凱, 杉森亮太, 坂井亮太, 中野雅由
    • 学会等名
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Theooretical Study on the Effect of Applying External Static Electric Field on Singlet Fission Dynamics of Pentacene Dimer Models2021

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Tonami, Ryota Sugimori, Ryota Sakai, Masayoshi Nakano
    • 学会等名
      日本化学会第101回春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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