複合電磁波分光法によるπ造形分子設計と電子機能予測

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: π造形科学: 電子と構造のダイナミズム制御による新機能創出
• 研究課題/領域番号: 26102011
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 関 修平 京都大学, 工学研究科, 教授 (30273709)
• 研究分担者: 佐伯 昭紀 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (10362625) ; 櫻井 庸明 京都大学, 工学研究科, 助教 (50632907) ; 酒巻 大輔 京都大学, 工学研究科, 特定助教 (60722741)
• 研究期間 (年度): 2014-07-10 – 2019-03-31
• キーワード: マイクロ波 / 複合電磁波 / ドープ / ESR / FI-TRMC / 界面 / ポーラロン

研究実績の概要

前年度に引き続き、多様なπ電子系の本質的電荷輸送特性をマイクロ波をプローブとして非接触的に計測する手法の開発と、それらを用いた新規材料評価を推進した。本年度の実施事項は以下のとおりである。1) 測定対象に化学的手法によって電荷ドーピングおこないつつ、マイクロ波による電気伝導度測定とESRによるキャリア数定量をin-situでおこなう新たな電荷移動度評価法、Chemical-Dope (CD) TRMC法の開発を引き続き推進した。前年度における原理実証の成功を受け、本年度は実用のための装置最適化をおこなった。具体的には、化学酸化剤であるヨウ素蒸気の流速制御機構を導入し、ドーピング速度のコントロールが可能となった。さらに、光ファイバー式のスペクトル分光計と組み合わせることで、ドーピング中におけるCD-TRMCと紫外可視吸収スペクトルの同時分光が可能となった。最適化された測定システムを用いることで、代表的な導電性高分子であるP3HTに対する正孔ドーピング時のキャリア伝導およびスピン数のリアルタイムモニタリングに成功した。その結果、ドーピング開始初期段階において、ESR信号強度は増大するが、伝導度は変化しない時間領域が存在することが明らかになった。これは、ドーピング初期において発生するポーラロンの移動度が低いことを示唆している。さらにドーピングが進行すると、ESR強度は低下しはじめ、それに伴って伝導度が増大する。この結果は、P3HT中の主なキャリア担体はスピンを持たないポーラロンペアもしくはバイポーラロンであることを示唆する結果である。2)サンプル界面への電界印加によるキャリア注入によって電荷の二次元運動を観測する手法(FI-TRMC法)を用いた材料評価をおこなった。特筆すべき結果として、本手法によって一般に不安定である電子ドープされた有機材料の大気下での移動度測定に成功した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

前年度に開発をスタートしたCD-TRMC法の測定装置の試作機が完成した。これを用いて、ドーピング段階ごとのP3HTのキャリアの微視的な情報を得ることに成功した。これは二種類の非接触マイクロ波分光を複合した本手法ならでは成果であり、本手法の計測装置としての独自性と有効性を実証する結果であるといえる。さらにここで得られた知見は、未だ統一的な見解のない導電性高分子内の伝導機構の解明に繋がるものであり、学術的にも重要であると考える。さらに、開発済のFPおよびFI-TRMCを用いて多くの物質の電荷輸送特性の解明をおこない、多数の論文として発表した。上記理由により、本年度の進歩は当初計画以上であると考える。

今後の研究の推進方策

次年度は、CD-TRMC法の適用範囲を広げ、現在用いているP3HT以外を対象とした測定をおこなう。特に、ドーピング剤の選択およびドープ法を検討することで、多様な材料群に適用できる汎用的な測定法として確立することを目指す。また、FI-TRMC法において、共振周波数変調によって試料中に存在するキャリアトラップの情報を得る手法の開発を目指す。

研究成果

• [国際共同研究] IACS/IIT Bangalore/CSIR-NIIST(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: IACS/IIT Bangalore/CSIR-NIIST
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] 武漢大学/香港科学技術大学/北京大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 武漢大学/香港科学技術大学/北京大学
• [国際共同研究] ブリュッセル自由大学(ベルギー)
  • 国名: ベルギー
  • 外国機関名: ブリュッセル自由大学
• [国際共同研究] KAIST(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: KAIST
• [国際共同研究] MIT(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: MIT
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 3
• [雑誌論文] AIE Active Carbazole-Benzothiazole Based ESIPT Motifs: Positional Isomers Directing the Optical and Electronic Properties (2017)
  • 著者名/発表者名: V. Padalkar, K. Kuwada, D. Sakamaki, N. Tohnai, T. Akutagawa, K. Sakai, T. Sakurai, and S. Seki
  • 雑誌名: Chem. Select 巻: 2 ページ: 1959-1966
  • DOI: DOI: 10.1002/slct.201602044
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Rapid Evaluation of Electron Mobilities at Semiconductor-Insulator Interfaces in an Ambient Atmosphere by a Contactless Microwave-Based Technique (2017)
  • 著者名/発表者名: J. Inoue, Y. Tsutsui, W. Choi, K. Kubota, T. Sakurai, and S. Seki
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 2 ページ: 164-170
  • DOI: DOI: 10.1021/acsomega.6b00428
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhancing the low-energy absorption band and charge mobility of antiaromatic Ni norcorroles by their substituent effects (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Yoshida, D. Sakamaki, S. Seki, and H. Shinokubo
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 52 ページ: 1112-1115
  • DOI: DOI: 10.1039/c6cc09444a
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A π-gel scaffold for assembling fullerene to photoconducting supramolecular rods (2017)
  • 著者名/発表者名: V. S. Nair, R. D. Mukhopadhyay, A. Saeki, S. Seki and A. Ajayaghosh
  • 雑誌名: Sci. Adv. 巻: 2 ページ: e1600142
  • DOI: DOI: 10.1126/sciadv.1600142
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Control over Differentiation of a Metastable Supramolecular Assembly in One and Two Dimensions (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Fukui, S. Kawai, A. Takai, Y. Matsushita, S. Fujinuma, T. Yasuda, T. Sakurai, S. Seki, M. Takeuchi, and K. Sugiyasu
  • 雑誌名: Nature Chem. 巻: 9 ページ: 493-499
  • DOI: DOI: 10.1038/nchem.2684
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Regioisomer effects of [70]fullerene mono-adduct acceptors in bulk heterojunction polymer solar cells (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Umeyama, T. Miyata, A. C. Jakowetz, S. Shibata, K. Kurotobi, T. Higashino, T. Koganezawa, M. Tsujimoto, S. Gélinas, W. Matsuda, S. Seki, R. H. Friend and H. Imahori
  • 雑誌名: Chem. Sci. 巻: 8 ページ: 181-188
  • DOI: DOI: 10.1039/C6SC02950G
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhancement of Carrier Mobility through Deformation Potential in Metal-Containing Insulated Molecular Wires (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ohto, H. Masai, J. Terao, W. Matsuda, S. Seki, Y. Tsuji and H. Tada
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 120 ページ: 26637-26644
  • DOI: DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b08557
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Functional Sulfur-Doped Buckybowls and Their Concave-onvex Supramolecular Assembly with Fullerenes (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Liu, D. Xia, B. Li, Q. Zhang, T. Sakurai, Y. Tan, S. Seki, S. Xie and L. Zheng
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 55 ページ: 13047-13051
  • DOI: DOI: 10.1002/anie.201606383
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fusing Porphyrins and Phospholes: Synthesis and Analysis of a Phosphorus-Containing Porphyrin (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Higashino, T. Yamada, T. Sakurai, S. Seki and H. Imahori
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 55 ページ: 12311-12315
  • DOI: DOI: 10.1002/anie.201607417
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cyclobuteno[60]fullerenes as Efficient n-Type Organic Semiconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Reboredo, R. M. Girón. S. Filipone, T. Mikie, T. Sakurai, S. Seki and N. Martin
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 22 ページ: 13627-13631
  • DOI: DOI: 10.1002/chem.201602813
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Supramolecular Scaffold for Tailoring the Two-Dimensional Assembly of Functional Molecular Units into Organic Thin Films (2016)
  • 著者名/発表者名: F. K. Leung, F. Ishiwari, T. Kajitani, Y. Shoji, T. Hikima, M. Tanaka, A. Saeki, S. Seki, Y. M. A. Yamada and T. Fukushima
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 138 ページ: 11727-11733
  • DOI: DOI: 10.1021/jacs.6b05513
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Control of optical and electrical properties of nanosheets by chemical structure of turning point in foldable polymer (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ikeda, H. Tamura, T. Sakurai, and S. Seki
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 8 ページ: 14673-14681
  • DOI: DOI: 10.1039/C6NR01066K
  • 査読あり
• [雑誌論文] A new class of epitaxial porphyrin metal-organic framework thin films with extremely high photocarrier generation efficiency: promising materials for all-solid-state solar cell (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Liu, W. Zhou, J. Liu, Y. Fujimori, T. Higashino, H. Imahori, X. Jiang, J. Zhao, T. Sakurai, Y. Hattori, W. Matsuda, S. Seki, S. K. Garlapati, S. Dasgupta, E. Redel, L. Sun, and C. Wöll
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A 巻: 4 ページ: 12739-12747
  • DOI: DOI: 10.1039/C6TA04898F
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Repeat protein scaffolds: ordering photo- and electroactive molecules in solution and solid state (2016)
  • 著者名/発表者名: S. H. Mejiacute;as, J. López-Andarias, T. Sakurai, S. Yoneda, K. P. Erazo, S. Seki, C. Atienza, N. Martín, and A. L. Cortajarena
  • 雑誌名: Chem. Sci. 巻: 7 ページ: 4842-4847
  • DOI: DOI: 10.1039/C6SC01306F
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Unraveling Unprecedented Charge Carrier Mobility through Structure Property Relationship of Four Isomers of Didodecyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Tsutsui, G. Schweicher, B. Chattopadhyay, T. Sakurai, J.-B. Arlin, C. Ruzié, A. Aliev, A. Ciesielski, S. Colella, A. R. Kennedy, V. Lemaur, Y. Olivier, R. Hadji, L. Sanguinet, F. Castet, D. Beljonne, J. Cornil, P. Samorì, S. Seki, and Y. H. Geerts
  • 雑誌名: Adv. Mater. 巻: 28 ページ: 7106-7114
  • DOI: DOI: 10.1002/adma.201601285
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] π-π Interactions: Influence on molecular packing and solid state emission of ESIPT and non-ESIPT motifs (2016)
  • 著者名/発表者名: V. S. Padalkar, D. Sakamaki, K. Kuwada, A. Horio, H. Okamoto, N. Tohnai, T. Akutagawa, K. Sakai, and S. Seki
  • 雑誌名: Asian J. Org. Chem. 巻: 8 ページ: 938-945
  • DOI: DOI: 10.1002/ajoc.201600159
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] N-Substituted Dicyanomethylphenyl Radicals: Dynamic Covalent Properties and Formation of Stimuli-Responsive Cyclophanes by Self-Assembly (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kobashi, D. Sakamaki, and S. Seki
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 55 ページ: 8634-8638
  • DOI: DOI: 10.1002/anie.201603409
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Stabilization of Charge Carriers in Picket-Fence Polythiophenes Using Dielectric Side Chains (2016)
  • 著者名/発表者名: C. Zhao, T. Sakurai, S. Yoneda, S. Seki, S. Li, M. Sugimoto, C. Oki, M. Takeuchi, and K. Sugiyasu
  • 雑誌名: Chem. Asian J. 巻: 11 ページ: 2284-2290
  • DOI: DOI: 10.1002/asia.201600738
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ion-Free and Ion-Pairing Assemblies of Anion-Responsive π-Electronic Systems Possessing Directly Linked Alkyl Chains (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Haketa, D. Katayama, S. Fukunaga, Y. Bando, T. Sakurai, W. Matsuda, S. Seki, and H. Maeda
  • 雑誌名: Chem. Asian J. 巻: 11 ページ: 2025-2029
  • DOI: DOI: 10.1002/asia.201600712
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of Highly Insulated Conjugated Metallopolymers Containing Terpyridine-Metal Complexes (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Hosomi, H. Masai, W. Matsuda, S. Seki, T. Fujihara, Y. Tsuji, and J. Terao
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 45 ページ: 931-933
  • DOI: DOI: 10.1246/cl.160386
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ion-Pairing Assemblies Based on Pentacyano-Substituted Cyclopentadienide as a π-Electronic Anion (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Bando, Y. Haketa, T. Sakurai, W. Matsuda, S. Seki, H. Takeya, and H. Maeda
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 22 ページ: 7843-7850
  • DOI: DOI: 10.1002/chem.201600686
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferrocene-Substituted Naphthalenediimide with Broad Absorption and Electron-Transport Properties in the Segregated-Stack Structure (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Takai, D. Sakamaki, S. Seki, Y. Matsushita, and M. Takeuchi
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 22 ページ: 7385-7388
  • DOI: DOI: 10.1002/chem.201600196
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] BACKBONE CONFIGURATION OF CONJUGATED POLYMERS AT THE INTERFACES AND UNDER HIGH PRESSURE; ASSESSED BY NON-CONTACT MICROWAVE-BASED CONDUCTIVITY MEASUREMENTS (2017)
  • 著者名/発表者名: Shu Seki
  • 学会等名: MACRO 2017
  • 発表場所: Thiruvananthapuram, India
  • 年月日: 2017-01-09 – 2017-01-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Combined Electromagnetic Spectroscopy: a Unique Non-Contact Technique Probing Charge Carrier Transport at Interfaces of Organic Semiconductor Devices (2016)
  • 著者名/発表者名: Shu Seki
  • 学会等名: 12th International Conference on Nano-Molecular Electronics (ICNME2016)
  • 発表場所: Kobe International Conference Center
  • 年月日: 2016-12-14 – 2016-12-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electron mass and conductivity on π-conjugated molecules in their condensed phases and at interfaces (2016)
  • 著者名/発表者名: Shu Seki
  • 学会等名: Solvay Workshop on "Charge, spin, and heat transport in organic semiconductors"
  • 発表場所: Université Libre de Bruxelles, Bruxelles, Belgium
  • 年月日: 2016-11-15 – 2016-11-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Organic Electronic Materials and Interfaces: Non-Contact Approach (2016)
  • 著者名/発表者名: Shu Seki
  • 学会等名: KJF International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics 2016
  • 発表場所: ACROS Fukuoka
  • 年月日: 2016-09-05 – 2016-09-06
  • 国際学会 / 招待講演