赤外光による共役ラジカルイオン二量体における電荷移動の誘起と有機デバイスへの応用

• 研究課題/領域番号: 20K05421
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分32010:基礎物理化学関連
• 研究機関: 青山学院大学
• 研究代表者: 坂本 章 青山学院大学, 理工学部, 教授 (90262146)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 共役ラジカルイオン二量体 / 赤外光誘起 / 電子－分子振動相互作用 / 電荷移動 / 赤外吸収分光 / ラマン分光 / 時間分解分光 / 振動解析 / 共役ラジカルイオン / 赤外吸収スペクトル / 電子-分子振動相互作用 / 分子分光

研究開始時の研究の概要

本研究では，(1) 様々な共役ラジカルイオン二量体分子系を対象に，巨大な強度をもつ分子間での電荷移動を誘起する分子振動モードを特定し，(2) これをモード選択的にピコ秒パルス赤外光で励起することで，2つの共役分子間での電荷移動の誘起と制御を行う．さらに，(3) パルス赤外光で誘起した電荷移動をピコ秒時間分解分光測定によっても追跡し，振動励起するモードごとに電荷移動の効率とダイナミクスの違いを解明する．そして，(4) モデル分子系で明らかにした電荷移動に有効な振動モードを基礎にして，電荷の移動が機能発現に直結している実在の共役高分子とその有機電子デバイスの性能(電気伝導度や電荷移動度など)の向上を検証する．

研究成果の概要

① 共役二量体分子[3,3](4,4’)ビフェニロファンを還元しながら電子吸収測定と共鳴ラマン分光を行い，アニオン種の生成メカニズムを明らかにし，ラジカルアニオンとジアニオンの振動解析を行った．② ベンゼンの様々な同位元素置換体のラマン分光測定と密度汎関数法計算に基づく解析を行った．③ 密度汎関数法を用いて，ポリアセチレンとそのオリゴマーの分子構造，赤外・ラマンスペクトル，電子励起エネルギーを計算し，ポリアセチレンの振動スペクトルの帰属を再検討した．④ 光応答性金属錯体の光誘起準安定状態の同定とその生成ダイナミクスの解明，フォトクロミック分子・錯体の超高速ダイナミクスの解明を行った．

研究成果の学術的意義や社会的意義

共役分子，共役二量体分子のイオン種，共役高分子における電子と分子振動の相互作用を解析した．得られた知見は，共役分子や共役高分子を用いた分子デバイスの機能のさらなる向上に役立つ可能性がある．また，極低温赤外分光や超高速時間分解赤外分光によって明らかにした光機能性分子・錯体の準安定状態の構造やその生成ダイナミクスに関する知見は，これらの機能性分子・錯体の機能発現に直結する知見である．

研究成果

• [雑誌論文] Molecular Structures and Vibrational Spectra of trans- and cis-Polyacetylene and Their Oligoenes Revisited Using Density Functional Theory Calculations (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiko Furuya, Akira Sakamoto, Mitsuo Tasumi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 127 号: 25 ページ: 5344-5359
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.3c02180
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoinduced Persistent Polarization Change in a Spin Transition Crystal (2022)
  • 著者名/発表者名: Su Sheng‐Qun、Wu Shu‐Qi、Huang Yu‐Bo、Xu Wen‐Huang、Gao Kai‐Ge、Okazawa Atsushi、Okajima Hajime、Sakamoto Akira、Kanegawa Shinji、Sato Osamu
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 61 号: 39
  • DOI: 10.1002/anie.202208771
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Controlling Diradical Character of Photogenerated Colored Isomers of Phenoxyl-Imidazolyl Radical Complexes (2022)
  • 著者名/発表者名: Nishijima Moe、Mutoh Katsuya、Shimada Rintaro、Sakamoto Akira、Abe Jiro
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 144 号: 37 ページ: 17186-17197
  • DOI: 10.1021/jacs.2c07562
  • 査読あり
• [雑誌論文] Excited-state dynamics of dipyrrolyldiketone difluoroboron complexes (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryota Sato, Hajime Okajima, Shinya Sugiura, Yohei Haketa, Yusuke Kinoshita, Hitoshi Tamiaki, Akira Sakamoto, Hiromitsu Maeda and Yoichi Kobayashi
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 24 号: 3 ページ: 1685-1691
  • DOI: 10.1039/d1cp04804j
  • 査読あり
• [雑誌論文] ATR-FTIR Study of Synthetic Peptide Analogs of the Calcium-Binding Site III of Rabbit Skeletal Muscle Troponin C: Effects of Amino-Acid Replacement (2022)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Nara, Hisayuki Morii, Akira Sakamoto, Takuya Miyakawa, Masaru Tanokura
  • 雑誌名: Peptide Science 巻: 2021 ページ: 161-162
  • 査読あり
• [雑誌論文] Symmetry of the benzene ring and its normal vibrations: The “breathing” mode is not always a normal vibration of a benzene ring (2021)
  • 著者名/発表者名: Akira Sakamoto and Mitsuo Tasumi
  • 雑誌名: Journal of Raman Spectroscopy 巻: 52 号: 12 ページ: 2282-2291
  • DOI: 10.1002/jrs.6131
  • 査読あり
• [雑誌論文] Manipulating electron redistribution to achieve electronic pyroelectricity in molecular [FeCo] crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: Pritam Sadhukhan, Shu-Qi Wu, Jeremy Ian Long, Takumi Nakanishi, Shinji Kanegawa, Kaige Gao, Kaoru Yamamoto, Hajime Okajima, Akira Sakamoto, Michael L. Baker, Thomas Kroll, Dimosthenis Sokaras, Atsushi Okazawa, Norimichi Kojima, Yoshihito Shiota, Kazunari Yoshizawa, and Osamu Sato
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 4836-4836
  • DOI: 10.1038/s41467-021-25041-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Macroscopic Polarization Change via Electron Transfer in a Valence Tautomeric Cobalt Complex (2020)
  • 著者名/発表者名: Wu Shu-Qi、Liu Meijiao、Gao Kaige、Kanegawa Shinji、Horie Yusuke、Aoyama Genki、Okajima Hajime、Sakamoto Akira、Baker Michael L.、Huzan Myron S.、Bencok Peter、Abe Tsukasa、Shiota Yoshihito、Yoshizawa Kazunari、Xu Wenhuang、Kou Hui-Zhong、Sato Osamu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 1992-1992
  • DOI: 10.1038/s41467-020-15988-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photochromic Radical Complexes That Show Heterolytic Bond Dissociation (2020)
  • 著者名/発表者名: Usui Ryosuke、Yamamoto Katsuya、Okajima Hajime、Mutoh Katsuya、Sakamoto Akira、Abe Jiro、Kobayashi Yoichi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 号: 22 ページ: 10132-10142
  • DOI: 10.1021/jacs.0c02739
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three‐Step Spin State Transition and Hysteretic Proton Transfer in the Crystal of an Iron(II) Hydrazone Complex (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakanishi Takumi、Hori Yuta、Wu Shuqi、Sato Hiroyasu、Okazawa Atsushi、Kojima Norimichi、Horie Yusuke、Okajima Hajime、Sakamoto Akira、Shiota Yoshihito、Yoshizawa Kazunari、Sato Osamu
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 59 号: 35 ページ: 14781-14787
  • DOI: 10.1002/anie.202006763
  • 査読あり
• [雑誌論文] Femtosecond Polarization Switching in the Crystal of a [CrCo] Dinuclear Complex (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuramochi Hikaru、Aoyama Genki、Okajima Hajime、Sakamoto Akira、Kanegawa Shinji、Sato Osamu、Takeuchi Satoshi、Tahara Tahei
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 59 号: 37 ページ: 15865-15869
  • DOI: 10.1002/anie.202004583
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Geometrical Evolution and Formation of the Photoproduct in the Cycloreversion Reaction of a Diarylethene Derivative Probed by Vibrational Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Sotome Hikaru、Okajima Hajime、Nagasaka Tatsuhiro、Tachii Yuka、Sakamoto Akira、Kobatake Seiya、Irie Masahiro、Miyasaka Hiroshi
  • 雑誌名: ChemPhysChem 巻: 21 号: 14 ページ: 1524-1530
  • DOI: 10.1002/cphc.202000315
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 顕微ラマン分光イメージングのマルチプレックス化による生細胞への光毒性低減の試み (2023)
  • 著者名/発表者名: 柳沼 達也，島田 林太郎，坂本 章
  • 学会等名: 2022年度 日本分光学会 生細胞分光部会研究会
• [学会発表] 凝集誘起発光特性を有するジベンゾイルメタンフッ化ホウ素錯体の励起状態ダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤本 悠史，五月女 光，島田 林太郎，岡島 元，坂本 章，宮坂 博，伊藤 冬樹
  • 学会等名: 日本化学会 第103春季年会(2023)
• [学会発表] ATR-FTIRによる合成ペプチドアナログの構造解析－配位子置換がCa2＋配位構造に及ぼす影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 奈良 雅之，森井 尚之，坂本 章，宮川 拓也，田之倉 優
  • 学会等名: 日本化学会 第103春季年会(2023)
• [学会発表] 溶媒混合による1,2-ジクロロエタンのマイクロドメイン緩和過程のラマン分光分析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡本 正成，岡島 元，島田 林太郎，坂本 章
  • 学会等名: 第16回分子科学討論会2022 横浜
• [学会発表] 凝集誘起発光特性を有するβ-ジケトンフッ化ホウ素錯体の励起状態ダイナミクス (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤本 悠史，五月女 光，島田 林太郎，岡島 元，坂本 章，宮坂 博，伊藤 冬樹
  • 学会等名: 第16回分子科学討論会2022 横浜
• [学会発表] メカニカルストリークカメラを用いた顕微ラマン分光計による高速低波数ラマンイメージング (2022)
  • 著者名/発表者名: 島田 林太郎，坂本 章
  • 学会等名: 第16回分子科学討論会2022 横浜
• [学会発表] 9-フェニルアントラセン(9PA)の近赤外ナノ秒過渡ラマンスペクトルにおける同位体シフトの分析による最低励起一重項状態の詳細な解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 優花，佐藤 宏樹，島田 林太郎，岡島 元，坂本 章
  • 学会等名: 第16回分子科学討論会2022 横浜
• [学会発表] 顕微ラマン分光イメージングのマルチプレックス化とその生細胞への応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柳沼 達也，島田 林太郎，坂本 章
  • 学会等名: 第16回分子科学討論会2022 横浜
• [学会発表] [2.2]パラシクロファンのピコ秒時間分解赤外分光測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川邉 理緒，島田 林太郎，坂本 章
  • 学会等名: 2022年 日本分光学会 年次講演会
• [学会発表] KBr錠剤中と軽水中のアミノ酸の振動円二色性スペクトルの比較 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩瀬 孟司，中川 裕貴，岡島 元，島田 林太郎，坂本 章
  • 学会等名: 2022年 日本分光学会 年次講演会
• [学会発表] 非回折ビームを用いたハイパーラマン分光計の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤澤 幸樹，島田 林太郎，坂本 章
  • 学会等名: 2022年 日本分光学会 年次講演会
• [学会発表] 顕微ラマンイメージングを用いたメダカのウロコの構造解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中川 瑳子，島田 林太郎, 奈良 雅之，坂本 章
  • 学会等名: 2022年 日本分光学会 年次講演会
• [学会発表] 錠剤成型したアミノ酸の簡便な振動円二色性分光－水溶液中での測定との比較－ (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩瀬 孟司，中川 裕貴，岡島 元，島田 林太郎，坂本 章
  • 学会等名: 2021年度 日本分光学会 生細胞分光部会研究会
• [学会発表] [3.3](4,4’)ビフェニロファンの複数のアニオン種の振動分光分析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 白石 隼矢，島田 林太郎，岡島 元，坂本 章
  • 学会等名: 日本化学会 第102春季年会(2022)
• [学会発表] 赤外分光法によるEFハンドモチーフの構造解析－配位子セリンがCa2＋配位構造に及ぼす影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 奈良 雅之，森井 尚之，坂本 章，宮川 拓也，田之倉 優
  • 学会等名: 日本化学会 第102春季年会(2022)
• [学会発表] [3.3](4,4’)ビフェニロファンのラジカルアニオンの振動分光分析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 白石 隼矢，岡島 元，島田 林太郎，坂本 章
  • 学会等名: 第15回分子科学討論会 2021
• [学会発表] 錠剤成型したアミノ酸の振動円二色性分光－水溶液中での測定との比較－ (2021)
  • 著者名/発表者名: 岩瀬 孟司，中川 裕貴，岡島 元，島田 林太郎，坂本 章
  • 学会等名: 第15回分子科学討論会 2021
• [学会発表] 9-フェニルアントラセン(9PA)の3つの重水素化物の合成と電子励起された9PAの詳細なラマン分光分析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 優花，佐藤 宏樹，岡島 元，島田 林太郎，坂本 章
  • 学会等名: 第15回分子科学討論会 2021
• [学会発表] Molecular Structures and Dynamics of Photoresponsive Molecules and Complexes Revealed by Ultrafast Infrared Spectroscopy and Steady-state Infrared Spectroscopy under Cryogenic Condition and Photo-irradiation (2021)
  • 著者名/発表者名: Akira Sakamoto, Genki Aoyama, Yusuke Horie, Hajime Okajima
  • 学会等名: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021 (Pacifichem 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] イミダゾリウム系イオン液体の精密化学合成の顕微ラマンイメージング：分子変換と反応温度のその場観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岡島 元，坂本 章
  • 学会等名: 日本化学会 第101春季年会 (2021)
• [学会発表] ラマンフローイメージングによる1,2-ジクロロエタンの混合回転異性化の分析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岡本 正成，寺田 知美，岡島 元，坂本 章
  • 学会等名: 日本化学会 第101春季年会 (2021)
• [学会発表] [3,3](4,4’)ビフェニロファンのラジカルアニオン種の赤外分光分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 白石 隼矢，岡島 元，坂本 章
  • 学会等名: 2020年度 日本分光学会年次講演会