| 研究課題/領域番号 |
22K05261
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分35030:有機機能材料関連
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| 研究機関 | 富山高等専門学校 |
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研究代表者 |
山岸 正和 富山高等専門学校, 物質化学工学科, 講師 (20615827)
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| 研究分担者 |
岡本 敏宏 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (80469931)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
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| キーワード | 集合体構造シミュレーション / 有機半導体 / バンド伝導 / 二次元集合体構造 / 有効質量 / エネルギーバンド / 当方的有効質量 / 集合体構造 / シミュレーション |
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| 研究開始時の研究の概要 |
有機化合物からなる半導体，いわゆる有機半導体の電気伝導性を理解するために，等方的に二次元伝導する有機半導体の研究が必要である．しかし，異方的な分子構造の集合体である有機半導体の伝導性は一般に異方的であり，等方的二次元伝導する有機半導体はほとんど探索されていない．そこで，本研究では，理論計算により伝導性に直結する集合体構造を系統的にシミュレートすることにより，等方的二次元伝導を実現しうる有機半導体コアを探索する．また，有機半導体コアに導入する置換基を検討し，等方的二次元伝導する有機半導体の実現を試みる．
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| 研究実績の概要 |
本研究提案では，バンド伝導性を示すπ電子系骨格を対象としてシミュレーションにより，等方的な有効質量をもつ（あるいは，有効質量の異方性が改善された）集合体構造を明らかにし，目的の集合体構造を目指して置換基を検討する研究戦略を取る．研究の初年度である2022年度は，集合体構造シミュレーションを主として検討した．まず，計算プロセスの一部を自動化するプログラムコードの作成および動作確認，計算プロセスの最適化を実施した．さらに，予定にはなかったが，トランスファー積分や有効質量を算出する過程でバンド分散を考慮する必要がでてきたため，タイトバインディングモデルでエネルギーバンドを計算し有効質量を算出するプログラムも作成した．
作成したプログラムを用いて，いくつかのπ電子骨格に対して，分子構造を最適化した後にヘリンボーン構造を想定して集合体構造のシミュレーションを実施した．集合体構造のパラメータとして，カラム方向からの分子の傾きとカラムおよびカラム垂直方向の分子間距離の3つを検討し，傾きごとにエネルギー的に安定な各分子間距離を得た．その結果，いずれの分子においても，カラム方向の2分子の計算で最低のエネルギーが得られる傾きと，カラム方向の2分子とカラム垂直方向の1分子の3分子で最低のエネルギーが得られる傾きが異なることがわかった．また，実際の誘導体の中で得られている集合体構造がシミュレートした集合体構造の中に見られた．特定の分子群ではヘリンボーン構造よりもブリックワーク構造の方が安定であることが予想されるなど，本手法が当初想定していたよりも有用な手法であることが示唆された．現在，シミュレーションで得られた集合体構造から算出したトランスファー積分および有効質量の比較・考察を進めている．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は，ワークステーションを導入し，集合体構造シミュレーションを中心として検討することを計画していた．当初予定していたスペックのワークステーションを導入するために，前倒し請求などの手順を経たため，ワークステーションの導入が遅れた．しかし，共同研究先のワークステーションを借りてプログラムコードの作成や計算プロセスの最適化，一部計算を進めていたため，ワークステーション導入後はプログラムコードの軽微な修正で速やかに実験を開始できた．さらに，本シミュレーション手法では，当初想定していたよりも多くの情報が得られることがわかってきたため，正孔だけでなく電子の有効質量も同時に比較できるように準備し，計算を進めている．実際の単結晶中の構造との比較や計算結果の考察が完了していないが，データは順調に蓄積できている．
もともと，自動化する前は計算ファイルの作成が律速となり，1つのπ電子骨格につき1ヶ月弱かかっていた計算が，自動プログラムを作成したことにより3-4日で計算を終えることが可能になった．ワークステーションの導入が遅れたが，自動化プログラムを作り込むことで計算に要する時間を大幅に短縮できており，導入の遅れをほぼ取り戻しつつある．したがって，概ね順調に研究が実施できていると考えている．
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は，当初の予定通り研究を進める．2023年度の前半はさらに集合体構造シミュレーションを進めるとともに，計算結果の比較を進める．23年度の後半は，等方的な有効質量をもつ（あるいは，有効質量の異方性が改善された）集合体構造の実現を目指して，π電子骨格への置換基を導入するための合成を開始する．
計算結果の比較については，効率的な手法を確立する必要がある．本シミュレーション手法では，π電子骨格ごとにカラム方向からの傾き(0-90度/5度刻み)ごとに，分子の対称性に由来して2種類の集合体構造が得られるため，膨大なデータ量となっている．また，実際の集合体構造も置換基によって異なるため，個々の比較・考察はできるものの，π電子骨格間の比較が追いついていない状況である．したがって，効率的に比較するスキームを模索し確立することを進める必要がある．現在のところ，① 有効質量の異方性，有効質量の大きさなどから候補となるπ電子骨格と集合体構造をピックアップする，② 集合体構造のエネルギーを参考にし，実際の誘導体中で当該集合体が得られそうなものを選択する の2段階で合成対象とする集合体構造を決定することを考えている．
π電子骨格への置換基の導入については，目標とする集合体構造と研究分担者の岡本が有する誘導体の単結晶構造データをよく比較し，集合体構造を変調すべき度合いを考慮して置換基を選択する．大きな変調を目論む場合には，例えば分岐アルキル基やシクロヘキシル基などを検討する．また，フェニル環などの芳香族ユニットはπ拡張されてしまいシミュレーションで得られたトランスファー積分や有効質量と異なることが懸念されるため積極的に検討しないが，フェニル基間の相互作用による変調も期待できるためフェニルアルキル基などは対象とする事を考えている．
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