分子性架橋デバイスのデザインに関する理論的研究

2018 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 16K04876
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: ナノ構造物理
• 研究機関: 明石工業高等専門学校
• 研究代表者: 中西 寛 明石工業高等専門学校, 専攻科, 教授 (40237326)
• 研究協力者: 笠井 秀明 ; Arevalo Ryan Lacdao ; Aspera Susan Menez ; Angelo Pelotenia Carlo ; Arguelles Elvis Flaviano
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 分子架橋 / 分子エレクトロニクス / 接合界面 / 機能性分子 / 第一原理計算 / センサー / 電子デバイス

研究成果の概要

分子架橋に印加する電場の効果を、第一原理計算を援用して調査し、分子架橋デバイスのデザインの研究を行った。架橋分子として中心金属M( M=Co, Ni, Cu, Zn)をもつポルフィリンテープを取り上げ、電子状態を計算した。テープ幅方向に電場を印加した場合に、バンドギャップに顕著な増加がみられた。特にd-バンドが満たされたM=Cu,　Znの場合は、πバンドがフェルミレベル近傍に位置し分子面内電気双極子が容易に誘起され、バンドギャップへの影響が大きい。ソース-ドレイン間バイアスについて、M=Coの場合に多数スピン電子において半導体的I-V特性を示し、少数スピン電子では、負性（微分）抵抗を示した。

自由記述の分野

物性理論

研究成果の学術的意義や社会的意義

半導体電子デバイスはこれまで微細化により、集積度、省エネ化などの性能を上げてきたが、昨今、その原理的限界に達しようとしている。次世代のデバイス材料として、合成された分子を用いるものがある。本研究では、赤血球中で分子機械と称されるヘモグロビンにヒントを得て、そのガス交換を担う活性中心のポルフィリン構造を対象とした。ポルフィリンのユニットを繋げたテープ状ポリポルフィリンによる分子架橋において、分子周辺の電極で電圧を印加することにより、デバイスとしての機能を引き出せるかを研究した。その結果、現行のFETやトンネルダイオードに似た機能を分子一つで実現できる可能性があることが示された。