グラフェンの周期的化学修飾と機能開拓

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H04794
• 研究機関: 明治大学
• 研究代表者: 田原 一邦 明治大学, 理工学部, 専任准教授 (40432463)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 表面・界面物性 / グラフェン / グラファイト / ナノ材料 / 自己組織化 / 電気化学 / 走査プローブ顕微鏡(STM, AFM) / 化学修飾

研究実績の概要

本課題では、グラフェンやグラファイト表面で有機分子が形成する自己集合単分子膜をテンプレートとし、申請者らが確立した条件で電気化学法で表面を化学修飾し、従来困難であった炭素表面へ任意の周期(位置)で有機基を導入し得る化学修飾技術を確立することを目的とする。作成される数nmの周期で精密修飾されたグラフェン半導体の構造と電子状態を明らかにし、それに基づいて高速動作FETや超高感度センサの開発や分子エレクトロニクス素子への展開を目指す。
これまでに、アルカンがグラファイトやグラフェンの表面に形成するラメラ型の自己集合単分子膜をテンプレートとして、炭素表面(動作電極)/有機溶媒(アルカンの溶液)/電解質水溶液の二溶媒界面系において、アリールジアゾニウム塩の一電子還元により発生させたアリールラジカルの付加反応を実施して、一次元周期的なグラファイトやグラフェンの化学修飾に成功した。H31年度は、直鎖のアルカンより一次元周期性を向上させるため、新たにアルカンの末端に二つのメトキシ基やブトキシ基が置換したいくつかの分子を合成し、そのテンプレートとしての効果を検証した。化学修飾後のグラファイトのSTM観測を行い、アリール基の付加位置について画像解析をもとに行なった。その結果、アルコキシ基が末端に置換した分子の方が、付加制度が幾分向上する傾向が見られた。
アルコキシ基が置換したデヒドロベンゾ[12]アヌレン(DBA)誘導体が有機溶媒とグラファイとの界面で形成するハニカム型の多孔性単分子膜を鋳型としてグラファイトの化学修飾を検討し、テンプレート効果が発現することを明らかにしている。H31年度は、ホモキラルなハニカム構造を作る新たなDBA誘導体を合成し、ホモキラルなハニカム構造を鋳型としてグラファイトを修飾したところ、付加したアリール基の配列のキラリティーを単一に制御することができた。

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] KU Leuven - University of Leuven(ベルギー)
  • 国名: ベルギー
  • 外国機関名: KU Leuven - University of Leuven
• [国際共同研究] National Chiao Tung University(その他の国・地域 台湾)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: National Chiao Tung University
• [雑誌論文] On the Thermal Stability of Aryl Groups Chemisorbed on Graphite (2020)
  • 著者名/発表者名: Gorp Hans Van, Walke Peter, Teyssandier Joan, Hirsch Brandon E. Uji-i Hiroshi, Tahara Kazukuni, Tobe Yoshito, Van der Auweraer Mark, De Feyter Steven
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 ページ: 1980-1990
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b09808
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Porous Self-Assembled Molecular Networks as Templates for Chiral-Position-Controlled Chemical Functionalization of Graphitic Surfaces (2020)
  • 著者名/発表者名: Tahara Kazukuni, Kubo Yuki, Hashimoto Shingo, Ishikawa Toru, Kaneko Hiromasa, Brown Anton, Hirsch Brandon E., De Feyter Steven, Tobe Yoshito
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 ページ: 7699-7708
  • DOI: 10.1021/jacs.0c02979
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phase Selectivity Triggered by Nanoconfinement: the Impact of Corral Dimensions (2019)
  • 著者名/発表者名: Hu Yi, Braganca Ana M., Verstraete Lander, Ivasenko Oleksandr, Hirsch Brandon E., Tahara Kazukuni, Tobe Yoshito, De Feyter Steven
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 55 ページ: 2226-2229
  • DOI: 10.1039/C8CC08602H
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Porous Self-Assembled Monolayers as Templates for Chiral Chemical Functionalization of Graphite Surface (2019)
  • 著者名/発表者名: Tahara Kazukuni, Kubo Yuki, Ishikawa Toru, Brown Anton, Hashimoto Shingo, De Feyter Steven, Tobe Yoshito
  • 学会等名: European Conference on Chemistry of Two-Dimensional Materials
  • 国際学会
• [備考] 研究室Website
  • URL: http://www.isc.meiji.ac.jp/~physorgchem/index.html
• [学会・シンポジウム開催] International Mini-Symposium on Programming Hierarchical Molecular Assembly (2019)