| 研究課題/領域番号 |
19K05396
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
高橋 幸裕 北海道大学, 理学研究院, 助教 (40443197)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 有機導体 / 表面・界面物性 / 分子性固体 / 電荷移動錯体 |
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| 研究実績の概要 |
電子供与性分子（ドナー）と電子受容性分子（アクセプター）結晶を貼り合わせるように接触させると，お互いが真性半導体であるにも関わらずその接触界面の電気伝導性は向上する。これは，界面にて相互の電荷の移動が生じ，界面分子の電子構造が開殻化した為であることが，これまでの我々の電子スピン共鳴を用いた研究によって確かめられている。このことは，ドナー/アクセプター分子接触界面では機能の源となる不対電子が生じており，分子を接触させるという単純かつ安価な方法で，様々な機能を発現させることができることを示唆している。この現象は，現在世界中で精力的に行われている軽量で折り曲げ可能な分子性の材料を用いた低コストデバイス開発を実現する一つの手法として利用できるの可能性があり，例えば原油からの廃棄物などで材料開発が行えれば，極めて低コストのデバイス開発が可能になる。本研究では，分子固体の接触界面で生じる電荷移動現象を理解し，機能を探索する研究を行っている。
（１）ポルフィリン系化合物/F2TCNQ界面で生じる電荷移動
前年度に有望な組み合わせとして見出したポルフィリン系化合物とTCNQ誘導体の接触界面で生じる電荷移動現象について調べた結果が，学術論文としてCrystEngComm誌に掲載された。この界面では，接触付近で注入された電荷量やの拡散距離などが分かりやすく観察され，接触界面の電荷移動現象についてより理解を深めることができる研究成果となった。
（２）安価な分子同士の界面で生じる高電導性
今年度は，１０００円/gの安価な物質を対象として，接触界面が高電導化する物質探索を行った。その結果，フタロシアニン系化合物とベンゾキノン 系化合物の組み合わせが薄膜状態でも高電導性を示すことを見出した。このことからこの系について特に精力的な調査を行っており，今年度は２つの国内学会において成果報告を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
前年度に有望な組み合わせとして見出したポルフィリン系化合物/F2TCNQ界面の補足実験を完了し，CrystEngComm誌に注目論文として成果報告を行えたこと。また本研究の目的である薄膜での高電導化の実現と解析に向けて安価な分子を用いた薄膜で高電導化を確認し，成果報告の見通しがたったことから「おおむね順調に進展している」と判断した。
（１）ポルフィリン系化合物/F2TCNQ界面で生じる電荷移動
前年度に見出した，ポルフィリン系化合物/F2TCNQ界面の組み合わせについて単結晶の接触界面で生じる電荷移動現象を，電気伝導度，ESR，導電性AFMなどの測定により評価し，界面における電導度や注入された電荷密度，その電荷の拡散距離等を明らかにした。これらの結果を，論文としてまとめ，CrystEngComm誌に注目論文として掲載された。
（２）安価な分子同士の界面で生じる高電導性
原油から抽出されるジベンゾチオフェン，ジクロロジシアノキノン（DDQ）など，和光純薬のカタログ価格 １０００円/gの安価な分子を用いて，伝導機能の創成を試みた。その結果，フタロシアニン銅とDDQの組み合わせを有望な系として見出した。この組み合わせは，単結晶や粉末の接触による電導度の大幅な向上がみられるだけでなく，すでに薄膜状態での電導度の向上を確認，さらにはSiO2基板上に薄膜接触界面を形成することで電界効果型トランジスタとしての駆動も確認している。これに加えて，薄膜形状の解明と最適化およびESRによる注入される電荷量の見積もりなどを行うことで学術論文としてまとめる予定である。更には，本研究の過程で，全く高電導化しない系もいくつか発見した。この結果は，これまでの本研究で見出した事実に反するものとなっており，この詳細を検討することは興味深いと考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後も，継続してドナー/アクセプター薄膜接触界面を作製し，その評価を行う。薄膜の特徴を活かして，薄膜X線や導電性AFM，SQUIDなど様々な手法で評価する予定である。特に，本年度見出したフタロシアニン銅/DDQ薄膜接触界面 で生じる電荷移動現象について論文にまとめることで本研究の主だった目的が達成できると考えている。現在すでに薄膜状態での電導度の向上と電界効果型トランジスタとして機能することも確認できている。これに加えて，ESRを用いて接触によって注入された電荷量を見積もる。導電性AFMを用いて薄膜接触界面の局所的な電荷分布を見出す。薄膜Ｘ線を用いて界面にて他の化学種が存在しないかを確認する。などの補足的な実験を行い本研究の目的により近づけた結論を得たいと考えている。
更には，本研究の前提では，どのような組み合わせでも高電導化が生じると考えていたが，実際には高電導化しない組み合わせもいくつか発見された。これは予想と異なる結果であると同時に本研究の応用性を広げる可能性のある興味深い結果でもある。このことから高電導化しなかった原因を見出すための実験も行いたいと考えている。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
計画当初より，共同研究および研究指導を行っている学生と共に，アメリカや欧州，アジアにて開催される大規模な国際会議に出席することで，有機エレクトロニクスおよび有機機能性結晶に関する情報収集および成果報告，人的ネットワーク形成を行う予定であった。これにより本研究の独創的な成果を，国際的な舞台で報告するとともに，聴衆のフィードバックから本研究に世界の革新的なアイディアを導入し，新たな価値観を付与する計画であった。しかしながら2019年より続く新型コロナウィルスに関わる渡航規制により，2021年度においても効率的に海外での国際会議に参加することは出来なかった。この為，この予算を翌年に繰り越し，次年度以降，代替となる国際会議に参加可能となり次第，早急に情報収集，成果報告，人的ネットワーク形成を行う計画である。
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