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2017 年度 実績報告書

光を用いた強誘電体から半導体への制御

研究課題

研究課題/領域番号 16J03265
研究機関東北大学

研究代表者

姉帯 勇人  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2016-04-22 – 2019-03-31
キーワード強誘電性 / 超分子 / 水素結合 / ピレン / ヘリセン / キラリティー / 液晶 / 非平面π電子
研究実績の概要

本年度は、アルキルアミド置換ピレン誘導体の特異な発光特性の原因を調査するため、キラル分岐アルキルアミド基を導入した分子S-1, R-1の会合挙動に関する研究を行い、その論文執筆を行った。また、中心のπ電子骨格が与える強誘電性への影響を調べるため、非平面π電子系化合物のヘリセンに、アルキルアミド基を導入した化合物(2)を合成し、強誘電性の評価を行った。
昨年度の研究より、S-1, R-1は溶媒・濃度依存した発光特性を示し、これはCD, CPL測定から、超分子の螺旋構造に起因していると分かった。また、S-1, R-1はゲル化能を示し、これはナノファイバーの形成に起因していると考えられる。そこで本年度は、この超分子構造に起因したファイバー構造を確認する目的から、S-1のAFM測定を行なった。S-1は基板依存したファイバー構造の形成を示した。これは、基板の親水性が関わっていると考えられ、CD, CPL測定の溶媒依存性の結果と一致した結果であった。これらの結果を基に、キラル分岐アルキルアミド置換ピレン誘導体の発光特性についての論文を執筆し、The Journal of Physical Chemistry Cに掲載された。
また、分子2はDSC測定とPOM観察から、330-420 Kで液晶相を示した。分子2が液晶性を示したため、誘電率の温度-周波数依存を評価したところ、これまでの強誘電体と同様の挙動を示し、強誘電体の可能が示唆された。そこで次に、P-E測定による強誘電性の評価を行った。分子2は液晶相で、強誘電体に特徴的なヒステリシスループを示し、残留分極の値は温度上昇に伴い増加した。これは、分子間水素結合により短距離的に固定されたアミド基の回転が、温度上昇により容易に誘起されたためと考えられる。以上より、アルキルアミド置換ヘリセン誘導体は、液晶性と強誘電性の両者を示す事が明らかとなった。

現在までの達成度 (区分)
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

「光を用いた強誘電体から半導体への制御」に関する研究を着実に推進している。特に、本年度は、昨年度に実施したキラルピレン誘導体の光物性に関する研究内容をまとめ、その成果をアメリカ化学会のThe Journal of Physical Chemistry Cに発表した。論文では、超分子構造を反映した発光特性に着目し、π電子化合物の発光特性に関する知見が得られ、大変興味深い研究成果となった。また、本年度に実施した研究内容に関しても大きな進展が見られた。近年注目を集めている、非平面π電子系化合物は、その特異な分子構造から自発分極を有するが、その分子骨格を用いた強誘電体の報告はこれまでになかった。報告者は、非平面π電子化合物であるヘリセンにアルキルアミド基を導入する事で、新規な非平面π電子系有機強誘電体の開発に始めて成功した。この強誘電体物性は、非常に特異であり、興味深い結果成果である。
さらに、上記の研究成果に関して、国内外の学会において積極的に成果発表を行い、日本化学会東北支部大会での優秀ポスター賞、分子科学討論会の優秀講演賞を、さらに国際学会であるISCOM2017においてPoster Awardを受賞した。また、これまでの研究成果を高く評価され、東北大学多元物質科学研究所の籏野奨学基金から多元物質科学研究奨励賞を受賞している。以上の理由から、研究は大きく進展していると考える。

今後の研究の推進方策

次年度の研究では、これまでの研究成果を元に、分子の構造や超分子構造が与える強誘電性への影響を調査する。ラセミ体であるヘリセン誘導体の強誘電性発現のメカニズムを考察し、超分子構造が与える強誘電性への影響を明らかする。具体的には、ラセミ体であるヘリセンにアルキルアミド基を導入したものだけではなく、キラル(P体またはM体)のヘリセンにアルキルアミド基を導入した化合物を新規に合成し、これの強誘電性を評価する。また、アミド基とヘリセンの強誘電性に与える影響を調べる目的から、ラセミ体とキラル体のヘリセンにアルキルエステル基を導入した化合物を新規に合成する。これにより、分子構造や超分子構造が与える強誘電性への影響が明らかになると考えられる。超分子構造は発光特性にも大きな影響を与える事が、これまでの研究からも明らかになっている。よって、超分子構造による強誘電性の制御が可能になることで「光を用いた強誘電体から半導体への制御」を可能とする分子の指針が得られると考えられる。この知見を基に、更なる分子設計を行い、測定を行なう。また、最終学年に当たる事から、国際学会および国内学会に積極的に参加して成果発表を行い、並行して論文の執筆を行う。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 5件)

  • [雑誌論文] Circular Polarized Luminescence of Hydrogen-Bonded Molecular Assemblies of Chiral Pyrene Derivatives2018

    • 著者名/発表者名
      Anetai Hayato、Takeda Takashi、Hoshino Norihisa、Araki Yasuyuki、Wada Takehiko、Yamamoto Shunsuke、Mitsuishi Masaya、Tsuchida Hiromu、Ogoshi Tomoki、Akutagawa Tomoyuki
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 122 ページ: 6323~6331

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.7b12747

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hexathioalkyl sumanenes: an electron-donating buckybowl as a building block for supramolecular materials2017

    • 著者名/発表者名
      Shoji Yoshiaki、Kajitani Takashi、Ishiwari Fumitaka、Ding Qiang、Sato Hiroyasu、Anetai Hayato、Akutagawa Tomoyuki、Sakurai Hidehiro、Fukushima Takanori
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 8 ページ: 8405~8410

    • DOI

      10.1039/c7sc03860g

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Ferroelectricity of Alkylamide- and Alkylester-substituted Helicene Derivatives2018

    • 著者名/発表者名
      姉帯 勇人、武田 貴志、星野 哲久、小林 東史、斎藤 望、重野 真徳、山口 雅彦、芥川 智行
    • 学会等名
      日本化学会第99春季年会
  • [学会発表] 長鎖置換基導入によるペンタセンの形態制御と光物性評価2018

    • 著者名/発表者名
      吉野 圭祐、酒井 隼人、庄子 良晃、梶谷 孝、福島 孝典、姉帯 勇人、芥川 智行、蒲 江、竹延 大志、TKACHENKO Nikolai、羽曾部 卓
    • 学会等名
      日本化学会第99春季年会
  • [学会発表] アルキルアミド置換ピレン誘導体の超分子構造の制御による強誘電性および円偏光発光(CPL)の制御2017

    • 著者名/発表者名
      姉帯 勇人、武田 貴志、星野 哲久、芥川 智行
    • 学会等名
      「低次元系光機能材料研究会」第 6回サマーセミナー
  • [学会発表] 非平面性アルキルアミド置換ヘリセン誘導体の強誘電性評価2017

    • 著者名/発表者名
      姉帯 勇人、武田 貴志、星野 哲久、小林 東史、斎藤 望、重野 真徳、山口 雅彦、芥川 智行
    • 学会等名
      第11回分子科学討論会
  • [学会発表] Controls in Circularly Polarized Luminescence (CPL) and Ferroelectricity of Chiral Supramolecular Pyrene Assemblies2017

    • 著者名/発表者名
      姉帯 勇人、武田 貴志、星野 哲久、芥川 智行
    • 学会等名
      平成29年度化学系学協会東北大会
  • [学会発表] 液晶性アルキルアミド置換ヘリセン誘導体の強誘電性2017

    • 著者名/発表者名
      姉帯 勇人、武田 貴志、星野 哲久、小林 東史、斎藤 望、重野 真徳、山口 雅彦、芥川 智行
    • 学会等名
      π造形若手研究会
  • [学会発表] Control in Ferroelectricity and Optical Property by Supramolecular Structures of Pyrene Derivatives bearing Chiral Alkylamides2017

    • 著者名/発表者名
      Hayato Anetai, Takashi Takeda, Norihisa Hoshino, Tomoyuki Akutagawa
    • 学会等名
      12th International Symposium on Functional π-Electron Systems (Fπ-12)
    • 国際学会
  • [学会発表] Circularly Polarized Luminescence (CPL)2017

    • 著者名/発表者名
      Hayato Anetai, Takashi Takeda, Norihisa Hoshino, Tomoyuki Akutagawa
    • 学会等名
      13th International Conference on Materials Chemistry (MC13)
    • 国際学会
  • [学会発表] Ferroelectric Non-planar Helicene Derivatives with Allylamide-Chains2017

    • 著者名/発表者名
      Hayato Anetai, Takashi Takeda, Norihisa Hoshino, Higashi Kobayashi, Nozomi Saito, Masanori Shigeno, Masahiko Yamaguchi, Tomoyuki Akutagawa
    • 学会等名
      Tohoku University’s Chemistry Summer School 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Tunable Optical and Ferroelectric Properties of Hydrogen-Bonding Pyrene Derivative with Chiral Alkylamide Chains2017

    • 著者名/発表者名
      Hayato Anetai, Takashi Takeda, Norihisa Hoshino, Tomoyuki Akutagawa
    • 学会等名
      The 12th International Symposium on Crystalline Organic Metals
    • 国際学会
  • [学会発表] Ferroelectricity of Non-planar Helicene Derivative bearing Alkylamide Chains2017

    • 著者名/発表者名
      Hayato Anetai, Takashi Takeda, Norihisa Hoshino, Higashi Kobayashi, Nozomi Saito, Masanori Shigeno, Masahiko Yamaguchi, Tomoyuki Akutagawa
    • 学会等名
      π-System Figuration German-Japanese Workshop
    • 国際学会

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公開日: 2018-12-17  

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