有機結晶におけるπ電子と水素の協奏物性の開拓

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04010
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 森 初果 東京大学, 物性研究所, 教授 (00334342)
• 研究分担者: 上田 顕 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 准教授 (20589585)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 水素と電子の協奏 / 分子性物質 / 外場応答 / 物理的圧力効果 / 化学的圧力効果 / 電子機能スイッチング / 重水素効果 / バンド幅の効果

研究実績の概要

機能性有機結晶では、（超）伝導性、反強磁性/強誘電性などを与える「π電子物性」研究と、プロトン伝導や反強誘電/強誘電性などを供する「水素系物性」は独立に研究されてきた。本課題では、π電子と水素の両者が協奏した、超伝導、絶縁体ー金属などのスイッチング、そしてその外場応答（電場、圧力）などの新奇物性・機能性などの開拓を目的としている。具体的には、（１）π電子と水素が協奏する有機分子および高品質有機結晶の合成を行い、（２）結晶・電子構造解析により、π電子と水素の静的協奏関係を明らかにし、（３）直流・交流電気抵抗率、電場下非線形伝導、圧力下抵抗率の測定より、π電子と水素の協奏物性として、外場（電場、圧力）によるプロトンスイッチング、水素の量子揺らぎを利用した超伝導の発現を目指している。
2018年度は、よりバンド幅の広いSe類縁体結晶であるκ-H3(Cat-EDT-ST)2を作製し、外場応答として静水圧効果を調べた。Ｓ体であるκ-H3(Cat-EDT-TTF)2は、常圧で基底状態は量子スピン液体であり、圧力印可で、電荷秩序に伴う絶縁相が誘起されて半導体―絶縁体転移が出現し、圧力印可と共に、相転移温度は上昇することが観測されている。一方、Se体は、2GPa圧力印可で、20K以下で金属化し、さらに低温の２Ｋ以下で半導体的挙動に転じ、圧力印可と共に、半導体化の温度は上昇することが観測された。
さらに、2019、2020年度は、Se類縁体結晶κ-H3(Cat-EDT-ST)2に対して静水圧性の良い圧力印可を行い、その圧力応答を再度調査した。その結果、0.7GPa下2.8Kで抵抗ドロップが観測され、磁場で抑制されることから超伝導転移であることが明らかとなった。圧力の印可の方法により、機能物性の振る舞いが異なるのはこの系の特徴と考えられ興味深い。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ジョンズホプキンス大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ジョンズホプキンス大学
• [国際共同研究] 北京大学/Northwestern Polytechnical University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 北京大学/Northwestern Polytechnical University
• [雑誌論文] The Simplest Model for Doped Poly(3,4‐ethylenedioxythiophene) (PEDOT): Single‐crystalline EDOT Dimer Radical Cation Salts (2021)
  • 著者名/発表者名: Kameyama Ryohei、Fujino Tomoko、Dekura Shun、Kawamura Mitsuaki、Ozaki Taisuke、Mori Hatsumi
  • 雑誌名: Chemistry A European Journal 巻: 27 ページ: 6696～6700
  • DOI: 10.1002/chem.202005333
  • 査読あり
• [雑誌論文] Terahertz-field-induced polar charge order in electronic-type dielectrics (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamakawa H.、Miyamoto T.、Morimoto T.、Takamura N.、Liang S.、Yoshimochi H.、Terashige T.、Kida N.、Suda M.、Yamamoto H. M.、Mori H.、Miyagawa K.、Kanoda K.、Okamoto H.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12
  • DOI: 10.1038/s41467-021-20925-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Design of Innovative Devices by Coupling High-Speed, Locally Mobile Hydrogen with Electrons (2021)
  • 著者名/発表者名: Mori Hatsumi
  • 雑誌名: Materia Japan 巻: 60 ページ: 165～168
  • DOI: 10.2320/materia.60.165
  • 査読あり
• [雑誌論文] 水素を活かすセラミクス～プロトンー電子カップル型分子性結晶および二分子膜における機能開拓 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森 初果・加藤浩之・藤野智子・上田 顕・吉信 淳
  • 雑誌名: セラミックス 巻: 56 ページ: 2,88-91
• [雑誌論文] Anhydrous Purely Organic Solid-State Proton Conductors: Effects of Molecular Dynamics on the Proton Conductivity of Imidazolium Hydrogen Dicarboxylates (2020)
  • 著者名/発表者名: Sunairi Yoshiya、Dekura Shun、Ueda Akira、Ida Tomonori、Mizuno Motohiro、Mori Hatsumi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 ページ: 051008～051008
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.051008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vapochromism induced by intermolecular electron transfer coupled with hydrogen-bond formation in zinc dithiolene complex (2020)
  • 著者名/発表者名: Yokomori So、Dekura Shun、Fujino Tomoko、Kawamura Mitsuaki、Ozaki Taisuke、Mori Hatsumi
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 8 ページ: 14939～14947
  • DOI: 10.1039/D0TC04280C
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of Alkyl Chain Length on Charge Transport Property of Anthracene-Based Organic Semiconductors (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhang Dongwei、Yokomori So、Kameyama Ryohei、Zhao Changbin、Ueda Akira、Zhang Lei、Kumai Reiji、Murakami Youichi、Meng Hong、Mori Hatsumi
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 13 ページ: 989～998
  • DOI: 10.1021/acsami.0c16144
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A computational examination of the electric-field-induced proton transfer along the interface hydrogen bond between proton donating and accepting self-assembled monolayers (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Kanematsu, H. Kato, S. Yoshimoto, A. Ueda, S. Yamamoto, H. Mori, J. Yoshinobu, I. Matsuda, and M. Tachikawa
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 741 ページ: 137091(1-4)
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2020.137091
  • 査読あり
• [雑誌論文] Construction of three-dimensional anionic molecular frameworks based on hydrogen-bonded metal dithiolene complexes and the crystal solvent effect (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Yokomori,A. Ueda, T. Higashino, R. Kumai, Y. Murakami, and H. Mori
  • 雑誌名: CrystEngCommun 巻: 21 ページ: 2940-2948
  • DOI: 10.1039/c9ce00364a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Evidence of Interfacial Hydrogen Bonding in Proton-Electron Concerted 2D Organic Bilayer on Au Substrate (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Yamamoto, H. S. Kato, A. Ueda, S. Yoshimoto, Y. Hirata, J. Miyawaki, K. Yamamoto, Y. Harada, H. Wadati, H. Mori, J. Yoshinobu, and I. Matsuda
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 17 ページ: 49-55
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2019.49
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pressure-induced hydrogen localization coupled to a semiconductor-insulator transition in a hydrogen-bonded molecular conductor (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Ueda, K. Kishimoto, T. Isono, S. Yamada, H. Kamo, K. Kobayashi, R. Kumai, Y. Murakami, J. Gouchi, Y. Uwatoko, Y. Nishio, and H. Mori
  • 雑誌名: RSC Adv. 巻: 9 ページ: 18353-18358
  • DOI: 10.1039/c9ra02833a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of Novel Molecular Conductors with Hydrogen Dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: Ueda Akira
  • 雑誌名: Molecular Science 巻: 13 ページ: A0103～A0103
  • DOI: 10.3175/molsci.13.A0103
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] コハク酸水素イミダゾリウム単結晶の 相挙動および無水プロトン伝導性に対する 結晶すりつぶし効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 出倉 駿，砂入 允哉， 岡本 啓，竹入 史隆，小林 玄器，森 初果
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
• [学会発表] 1,2,3-トリアゾール－リン酸塩単結晶の構造及び無水プロトン伝導性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西岡 海人，出倉 駿，森 初果
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
• [学会発表] 新規エチレンジオキシチオフェン 2,3 量体の電荷移動塩単結晶における電子物性と共役長伸長効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 亀山亮平、藤野智子、出倉駿、河村光晶、尾崎泰助、森初果
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
• [学会発表] Synthesis of novel single-crystalline ethylenedioxythiophene oligomer charge transfer salts and the conjugation-length-elongation effects on their physical properties (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Kameyama, Tomoko Fujino, Shun Dekura, Mitsuaki Kawamura, Taisuke Ozaki, and Hatsumi Mori
  • 学会等名: 日本化学会春季年会
• [学会発表] Charge transfer complexes of ethylenedichalcogenothiophene (EDXT：X = O, S) and TCNQ analogs: atom-substituted effects (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Fujino, Ryohei Kameyama, Kota Onozuka, Shun Dekura, Hatsumi Mori
  • 学会等名: 日本化学会春季年会
• [学会発表] 電子供与性置換基を有する 新規平面ニッケルジチオレン錯体の 合成と電界効果特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 雅聡、藤野 智子、横森 創、張 磊、森 初果
  • 学会等名: 日本化学会春季年会
• [学会発表] 水素と電子のカップリングによる 物性制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 森 初果
  • 学会等名: 日本物理学会秋季年会
  • 招待講演
• [学会発表] 新規Znジチオレン錯体結晶における水素結合を介した電子移動がもたらすベイポクロミック特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 横森創、河村 光晶、尾崎 泰助、森 初果
  • 学会等名: 分子科学討論会
• [学会発表] 導電性高分子PEDOT（poly(3,4-ethylenedioxythiophene))塩の単純化モデル：EDOTオリゴマー塩単結晶の合成と物性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 亀山亮平、藤野智子、出倉駿、河村光晶、尾崎泰助、森初果
  • 学会等名: 分子科学討論会
• [学会発表] Triazole-linked DNA and RNA: From Chiral Monomers to Oligomers and Duplexes (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Fujino
  • 学会等名: The 5th International Symposium of Quantum Beam Science (ISQBS) at Ibaraki University -Chirality in Material Science: Current Status and Future Prospects-
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The simplified model systems for doped PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)): EDOT oligomer-based single crystals of radical cation salts (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Kameyama, Tomoko Fujino, Shun Dekura, Mitsuaki Kawamura, Taisuke Ozaki, Hatsumi Mori
  • 学会等名: The 5th International Symposium of Quantum Beam Science (ISQBS) at Ibaraki University -Chirality in Material Science: Current Status and Future Prospects-
  • 国際学会
• [学会発表] 一軸性圧縮下におけるβ’-[H3(Cat-EDO-TTF)2]BF4の電気抵抗測定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 菅井祐太、出倉 駿、上田 顕、吉田順哉、郷地 順、上床美也、浅井晋一郎、益田隆嗣、今城周作、金道浩一、森 初果
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] 水素と電子のカップリングによる物性制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 森 初果
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 新規Znジチオレン錯体結晶の構造とベイポクロミック特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 横森 創、出倉 駿、藤野 智子、尾崎 泰助、森 初果
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] Structures and physical properties of EDOT (3,4-ethylenedioxy- thiophene) dimer-based molecular crystals (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Kameyama, S. Dekura, T. Fujino, H. Mori
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] Syntheses and Field-Effect Transistor Characteristics of Novel Nickel-Dithiolene Complexes (2020)
  • 著者名/発表者名: L. Zhang, T. Fujino, S. Yokomori, D. Zhang, S. Dekura, M. Lippmaa, H. Mori
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] Structure and Anhydrous Proton Conductivity of an Imidazolium Dihydrogen Phosphate Crystal (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Dekura, Y. Sunairi, H. Mori
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] ジカルボン酸とイミダゾールからなる酸-塩基型有機結晶の無水プロトン伝導性: 水素結合様式と分子運動の効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 砂入允哉、出倉 駿、上田 顕、井田智友、水野元博、森 初果
  • 学会等名: 第22回超イオン導伝体物性研究会（第73回イオニクス研究会）
• [学会発表] 分子性イミダゾリウム塩結晶における無水プロトン伝導性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 出倉 駿、砂入允哉、森 初果
  • 学会等名: ハイドロジェノミクス第4回若手育成スクール
• [学会発表] イミダゾール－リン酸塩における新規結晶構造及びその無水プロトン伝導性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 出倉 駿、砂入 允哉、横森 創、森 初果
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] ジカルボン酸－イミダゾール塩の無水プロトン伝導性に対する分子ダイナミクス効果 II (2019)
  • 著者名/発表者名: 砂入允哉、出倉駿、上田 顕、森 初果
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] ジカルボン酸とイミダゾールからなる酸-塩基型有機結晶の水素結合様式と分子運動および無水プロトン伝導性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 砂入允哉、出倉 駿、上田 顕、森 初果
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [学会発表] 新規チオフェン系オリゴマーの合成およびその電荷移動錯体の伝導度測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 亀山亮平、出倉 駿、藤野智子、森 初果
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [学会発表] 新規結晶構造を有するイミダゾール－リン酸塩における無水プロトン伝導性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 出倉 駿、砂入允哉、横森 創、森 初果
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [学会発表] 水素結合型有機伝導体beta’-[H3(Cat-EDO-TTF)2A] (A = BF4 , ClO4)の圧力下電気抵抗測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 菅井 祐太、上田 顕、吉田 順哉、 横森 創、出倉 駿、 郷地 順、上床 美也、浅井 晋一郎、益田 隆嗣、森 初果
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [学会発表] 水酸基を有するNiジチオレン錯体を用いた新規水素結合型分子性結晶の構造及び物性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 横森 創、上田 顕、出倉 駿、熊井 玲児、村上 洋一、森 初果
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [学会発表] Syntheses and Field-Effect Transistor Characteristics of Novel Nickel-Dithiolene Complexes with Methoxybenzene Moieties（メトキシベンゼン部位を有する新規ニッケルジチオレン錯体の合成及びFET特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: L. Zhang, S. Yokomori, D. Zhang, T. Fujino, S. Dekura, H. Mori
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [学会発表] Novel Molecular Functional Materials Utilizing Proton Dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Mori
  • 学会等名: The 13th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Syntheses, Structures, and Properties of Novel Molecular Crystals with Hydrogen-bonded Framework based on Metal-dithiolene Complexes (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Yokomori, A. Ueda, S. Dekura, R. Kumai, Y. Murakami, and H. Mori
  • 学会等名: The 13th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Anhydrous Proton Conductivity in Imidazolium Hydrogen Carboxylates: Effects of Hydrogen-Bond Manners and Molecular Motions (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Sunairi, S. Dekura, A. Ueda, and H. Mori
  • 学会等名: The 13th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Anhydrous Proton Conductivity of Novel Imidazolium Dihydrogen Phosphate (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Dekura, Y. Sunairi, S. Yokomori, Hatsumi Mori
  • 学会等名: The 13th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Novel Functional Molecular Materials by Utilizing Molecular Degrees of Freedom (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Mori
  • 学会等名: The 14th Asia-Pacific Physics Conference (APPC14)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 水素ダイナミクスを有する新しい分子性導体の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 上田 顕
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Development of a new class of molecular conductors by using dynamic hydrogen bonds (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Ueda
  • 学会等名: 錯体化学会第69回討論会
  • 招待講演
• [備考] 森研究室HP 実績
  • URL: https://hmori.issp.u-tokyo.ac.jp/