導電性ソフトクリスタルの創製と光電子デバイスへの応用

• 研究領域: ソフトクリスタル：高秩序で柔軟な応答系の学理と光機能
• 研究課題/領域番号: 20H04679
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 近畿大学
• 研究代表者: 大久保 貴志 近畿大学, 理工学部, 教授 (90322677)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2020年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 導電性ソフトクリスタル / インピーダンス分光測定 / エレクトロルミネッセンス / 薄膜太陽電池

研究開始時の研究の概要

本研究では導電性性ソフトクリスタルの光電子デバイスへの応用の可能性を見いだすことを目的とする。具体的には①新規導電性ソフトクリスタルの合成、②導電性ソフトクリスタルの伝導性、誘電性、発光特性など基礎物性の評価、③導電性ソフトクリスタルを用いた新たな光電子デバイスの作製と評価を実施する。特に2019年度までに本領域の研究で合成したTADFと導電性が共存するソフトクリスタルに関して薄膜化と有機EL素子の作製、評価を中心的な課題として進め、単一TADF材料の可能性を実証する。また、これまで合成した電場応答性ソフトクリスタルや多孔性ソフトクリスタルなどに関しても様々な電子デバイスへの応用を試みる。

研究実績の概要

本研究課題では新たな導電性ソフトクリスタルの開発と光電子デバイスへの応用を試みた。具体的には、導電性と発光特性を兼ね備えた導電性答性ソフトクリスタルを有機ELや有機薄膜太陽電池、電界効果トランジスタ（FET）、二次電池、熱電変換素子などの光電子デバイスへと応用することで、ソフトクリスタルの実用の可能性を検証することを目的として研究を実施した。
１）本研究では導電性と発光特性を兼ね備えたソフトクリスタルを創成するために、ハロゲン化銅と含窒素π共役配位子からなる配位高分子を合成した。これら配位高分子はいずれも導電性を示し、1(M+X)LCTからのエネルギー移動による三重項クラスターセンター（3CC）からの発光、熱活性化遅延蛍光（TADF）、リン光など、配位高分子ごとに異なるメカニズムによる発光を示すことが明らかになった。
２）本研究で合成した導電性ソフトクリスタルを用いたリチウムイオン電池を作製し、その充放電特性を検討した。その結果、コバルト酸リチウムを正極とした二次電池と同程度の150 mAh/gの容量を示すことが明らかになった。XPSの測定から充放電の過程で導電性ソフトクリスタルの細孔内にLi+イオンとBF4-アニオンが出入りしている可能性があることが示唆された。
３）ヨウ化銅(I)とフェナントリジンを順次積層した薄膜をアセトニトリル蒸気を用いて溶媒アニールすることで、配位高分子薄膜の生成を確認した。この配位高分子薄膜を用いて有機EL素子を作製し、発光特性を評価した。
４）銅イオンの変位により巨大な誘電応答と高いキャリア移動度を示す電場応答性ソフトクリスタルについて、断熱型熱量計を用いた熱容量測定を行い、その相転移現象に関して検討した。その結果、合成直後の結晶は準安定層であることが示唆され、このことが巨大な誘電応答と高いキャリア移動に関与している可能性があることが明らかになった。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Crystal Structure of an Iodido-bridged Dinuclear Copper(I) Complex with 3,6-Bis(dimethylamino)acridine (2021)
  • 著者名/発表者名: Ohkita, Misaki; Fujiwara, Aya; Nishiyama, Tomoki; Maekawa, Masahiko; Kuroda-Sowa, Takayoshi; Okubo, Takashi
  • 雑誌名: X-ray Structure Analysis Online 巻: 37 号: 0 ページ: 29-31
  • DOI: 10.2116/xraystruct.37.29
  • NAID: 130008050878
  • ISSN: 1883-3578
  • 年月日: 2021-06-10
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Organic Thin-film Solar Cells Using Benzotrithiophene Derivatives Bearing Acceptor Units as Non-Fullerene Acceptors (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto, Kouichi ; Yamashita, Kazuhiro; Sakoda, Yuuki; Ezoe, Hinata; Tanaka, Yuki; Okazaki, Tatsuya; Ohkita, Misaki; Tanaka, Senku; Aoki, Yuki; Kiriya, Daisuke; Kashimura, Shigenori; Maekawa, Masahiko; Kuroda-Sowa, Takayoshi; Okubo, Takashi
  • 雑誌名: European Journal of Organic Chemistry 巻: 33 号: 33 ページ: 4620-4629
  • DOI: 10.1002/ejoc.202100178
  • 査読あり
• [雑誌論文] Syntheses and structural characterizations of mononuclear Ir(III) hydride complexes with 2,2′:6′,2″-terpyridine in the κ2N,N' and κ3N,N',N″ coordination modes (2021)
  • 著者名/発表者名: Maekawa Masahiko、Terada Kota、Oda Shoki、Sugimoto Kunihisa、Okubo Takashi、Kuroda-Sowa Takayoshi
  • 雑誌名: Inorganica Chimica Acta 巻: 514 ページ: 119962-119962
  • DOI: 10.1016/j.ica.2020.119962
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photosensitizing ruthenium(ii)?dye multilayers: photoinduced charge separation and back electron transfer suppression (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshimura Nobutaka、Kobayashi Atsushi、Genno Wataru、Okubo Takashi、Yoshida Masaki、Kato Masako
  • 雑誌名: Sustainable Energy & Fuels 巻: 4 号: 7 ページ: 3450-3457
  • DOI: 10.1039/d0se00151a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Crossover in Bipyridine Derivative Bridged One-Dimensional Iron(III) Coordination Polymer (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Ryuta、Noda Takeshi、Ueno Shunya、Okubo Takashi、Yamakawa Hirofumi、Sakamoto Ken-ichi、Kawata Satoshi
  • 雑誌名: Magnetochemistry 巻: 6 号: 3 ページ: 29-29
  • DOI: 10.3390/magnetochemistry6030029
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 導電性を有する多孔性配位高分子の細孔を利用したリチウムイオン二次電池の動作機構解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西山智貴・松島諒・清水剛・服部花保・黒田孝義・前川雅彦・吉川浩史・大久保貴志
  • 学会等名: ナノ学会第20回大会
• [学会発表] ジチオカルバミン酸を配位子とした異常誘電を示す導電性配位高分子の合成および物性評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西山智貴・畠山 稔光・前川 雅彦・黒田 孝義・鈴木 晴・大久保 貴志
  • 学会等名: 日本化学会第102春季年会
• [学会発表] ベンゾチアジノフェノチアジン誘導体を用いた電界効果トランジスタ の作製と特性評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 翁 偉峻、西山 智貴、黒田 孝義、前川 雅彦、大久保 貴志、本塩 駿
  • 学会等名: 日本化学会第102春季年会
• [学会発表] チオシアン酸銅(I)と含窒素π共役系配位子からなる配位高分子の合成と物性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西山智貴・大久保貴志・黒田孝義・前川雅彦
  • 学会等名: 錯体化学会第71回討論会
• [学会発表] チオシアン酸銅(I)と含窒素π共役系配位子からなる配位高分子の合成と薄膜化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西山智貴・中野蒼太・黒田孝義・前川雅彦・大久保貴志
  • 学会等名: 第11回CSJ化学フェスタ2021
• [学会発表] ジチオカルバミン酸銅錯体を用いた多孔性配位高分子の合成と二次電池への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西山智貴・松島諒・清水剛・服部花保・黒田孝義・前川雅彦・吉川浩史・大久保貴志
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
• [学会発表] Crystal Structure and Physical Properties of new Cu(I)-Ni(II) Heterometal Coordination Polymer Including Dithiobenzoate lignads (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama Tomoki, Mibu Takuto, Okubo Takashi, Maekawa Masahiko, Suenaga Yusaku, Kuroda-Sowa Takayoshi
  • 学会等名: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem)
  • 国際学会
• [学会発表] ハロゲン化銅(I)と窒素含有ヘテロ環化合物からなる配位高分子の合成と物性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中 啓裕、西山 智貴、大久保 貴志、前川 雅彦、黒田 孝義
  • 学会等名: 錯体化学会第71回討論会
• [学会発表] 導電性と発光性を兼ね備えた新規配位高分子の物性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中 啓裕、西山 智貴、大久保 貴志、前川 雅彦、黒田 孝義
  • 学会等名: 応用物理学会
• [学会発表] ハロゲン化銅(I)とキノリン誘導体からなる配位高分子の合成および物性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中 啓裕、西山 智貴、大久保 貴志、前川 雅彦、黒田 孝義
  • 学会等名: 第11回CSJ化学フェスタ2021
• [学会発表] Synthesis and Evaluation of Physical Properties of Coordination Polymers Consisting with Copper(I) Halides and Nitrogen-containing Heterocyclic Compounds (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Tanaka,Tomoki Nishiyama,Misaki Ohkita,Takashi Okubo,Masahiko Maekawa,Takayoshi Kuroda-Sowa
  • 学会等名: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem)
  • 国際学会
• [学会発表] ハロゲン化銅(I)と窒素含有複素環式化合物からなる新規配位高分子の合成および物性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中 啓裕、西山 智貴、大北 光咲、前川 雅彦、黒田 孝義、大久保 貴志
  • 学会等名: 日本化学会 第101春期年会（2021）
• [学会発表] チオフェン縮環型ベンゾチアジアゾール誘導体を用いた有機ELの作製と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 射場 日有人、中川 雄太、江副 日菜多、前川 雅彦、黒田 孝義、山口 仁宏、大久保 貴志
  • 学会等名: 日本化学会 第101春期年会（2021）
• [学会発表] ジチオカルバミン酸銅錯体を用いた多孔性配位高分子の合成と二次電池への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西山 智貴、松島 諒、清水 剛志、服部 花保、黒田 孝義、前川 雅彦、吉川 浩史、大久保 貴志
  • 学会等名: 日本化学会 第101春期年会（2021）
• [学会発表] ハロゲン化銅(I)と窒素含有複素環式化合物からなる配位高分子の合成および物性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大北 光咲、大久保 貴志、前川 雅彦、黒田 孝義
  • 学会等名: 第10回 CSJ化学フェスタ2020
• [学会発表] ジチオ安息香酸誘導体を配位子としたCu(I)-Ni(II)ヘテロ金属配位高分子の合成及び物性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西山 智貴、壬生 託人、大久保 貴志、前川 雅彦、黒田 孝義、末永 勇作
  • 学会等名: 第10回 CSJ化学フェスタ2020
• [学会発表] ハロゲン置換qsal鉄(II)錯体におけるスピンクロスオーバー特性と遅い磁気緩和現象 (2020)
  • 著者名/発表者名: 安立 瑞生、福益 智大、大久保 貴志、前川 雅彦、黑田 孝義
  • 学会等名: 錯体化学会 第70回討論会
• [学会発表] ハロゲン化銅(I)と窒素含有ヘテロ環化合物からなる配位高分子の合成と物性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大北 光咲、大久保 貴志、前川 雅彦、黑田 孝義
  • 学会等名: 錯体化学会 第70回討論会