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2021 年度 実績報告書

伝導度計測に基づく単一分子スケールにおける表面電位三次元計測法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 21H01959
配分区分補助金
研究機関東京工業大学

研究代表者

西野 智昭  東京工業大学, 理学院, 准教授 (80372415)

研究分担者 藤井 慎太郎  東京工業大学, 理学院, 特任准教授 (70422558)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
キーワード単分子接合 / STM / 電気化学 / 電気二重層 / DNA
研究実績の概要

近年,ナノ科学・テクノロジーへの興味の高まりを背景に,優れた機能を有するnmスケールの微小構造体が盛んに開発されている.これに伴い,微小構造体の化学的特性,物性の計測を可能とする,高い空間分解能を有する分析法が強く求められている.固体最表面に対しては原子スケールにおける計測法が精力的に開発されている一方,高さ方向に空間分解能を有する計測法は未踏領域として残されている.そこで,本研究では,多岐にわたる化学現象に関与する表面電位に着目し,電極最表面だけでなく,高さ方向にもサブnmオーダーの空間分解能を有する表面電位の三次元計測法を開発することを目的とする.
開発する手法では,単分子電位計を開発しこれをDNAに結合させることにより表面からの高さを規定し,高さ分解能を実現する.当該年度は,足場となるDNAの伝導特性,および電極への結合様式について検討した.従来,DNAの単分子接合は,DNAの両端に電極結合性官能基を導入することにより作製されている.本結合様式ではDNAの鎖長の増加に対して伝導度が急激に減少する欠点がある.そこで,DNAの末端の一方のみに2つの結合性官能基を導入した結合様式にてDNA単分子接合を形成しその伝導特性を計測した.その結果,DNA鎖長を増加させても伝導度が減少しない接合を実現することができた.電気伝導がDNAの一端のみを経由して生じるため,鎖長依存性が見られなかったものと考えられる.また,その接合は部分的に破断してもDNAの相補鎖形成により自発的に修復する特性を示すことを見出した.現在,単分子接合を利用した多様な単分子素子が開発されているが,その寿命は室温では10 msの桁である.今回の研究で見出した自己修復性は単分子接合の脆弱性を解決し得るものであり,単分子素子の実用化に大きく貢献できるものと期待できる.

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

本研究課題において開発する計測手法においては,単分子電位計と足場DNAを結合させた複合体の伝導特性を指標として,試料表面の面直方向における電位分布を決定する.したがって,その構成要素である単分子電位計,および足場DNAの伝導特性に関する知見は今後の研究を展開するために不可欠である.加えて,後者のDNAについては,単分子電位計と試料表面の距離を規定する役割を担うことから,伝導特性と接合構造の相関は十分に検討する必要がある.当該年度では,従来のDNA単分子接合における結合様式に加えて,異なる結合様式のもと新たな構造を有する単分子接合を作製,測定することにより伝導特性と構造について明らかにできた.本成果に基づき今後,より円滑に研究が遂行できるものと期待される.したがって,当該年度の進捗状況は「おおむね順調に進展している」と自己評価する.

今後の研究の推進方策

今後は,DNAを足場に用いた単分子電位計の開発を行う.電気化学電位によって電気伝導度が急峻に変化する分子を単分子電位計として用いることにより,伝導度-電位の関係に基づき,伝導度計測によって試料表面の電位を決定する.上記の原理を実証し,単分子電位計を開発する.また,単分子電位計のDNAへの固定化による電位計測の影響についても明らかにする.始めに,これらの分子をAu基板に直接吸着させ,その電気伝導度を計測する.単分子伝導度の測定は,申請者が豊富な実績を有する走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いたブレイクジャンクション(BJ)法により行う.検出対象の単分子をSTM探針と金属基板間のナノギャップに捕捉し,そのトンネル電流を計測することにより伝導度を決定する.測定を水溶液中にて行い,基板の電極電位を変化させ単分子の伝導度を測定し,伝導度が基板電位に依存して変化することを確認する.伝導度の電位依存性の詳細を明らかにし,単分子を用いた電位決定法の基礎を確立する.本手法によって測定可能な電位範囲は,測定に用いる分子に依存するため,他の分子についても同様に検討し,電位計測の広いダイナミックレンジを担保する.次いで,分子のDNA固定の影響を検討する.分子をDNAの末端に近い塩基位置に導入したコンジュゲートを固相合成法に従い作製する.コンジュゲートをAu基板に吸着させ,その単分子伝導度を計測する.分子を基板に直接固定した場合と同様の測定を行い,伝導度が電位に依存して変化し,電位決定が可能であることを確認する.伝導度の電位依存性が顕著でない場合には,足場DNAの鎖長を短くするなどにより改善を施す.

  • 研究成果

    (27件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 1件、 査読あり 12件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Single-molecule junction spontaneously restored by DNA zipper2021

    • 著者名/発表者名
      Harashima Takanori、Fujii Shintaro、Jono Yuki、Terakawa Tsuyoshi、Kurita Noriyuki、Kaneko Satoshi、Kiguchi Manabu、Nishino Tomoaki
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 12 ページ: 5762

    • DOI

      10.1038/s41467-021-25943-3

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Surface-Enhanced Raman Scattering Stimulated by Strong Metal-Molecule Interactions in a C60 Single-Molecule Junction2021

    • 著者名/発表者名
      Yasuraoka Koji、Kaneko Satoshi、Kobayashi Shuji、Tsukagoshi Kazuhito、Nishino Tomoaki
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 13 ページ: 51602~51607

    • DOI

      10.1021/acsami.1c09965

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Visualization of Thermal Transport Properties of Self-Assembled Monolayers on Au(111) by Contact and Noncontact Scanning Thermal Microscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Fujii Shintaro、Shoji Yoshiaki、Fukushima Takanori、Nishino Tomoaki
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 143 ページ: 18777~18783

    • DOI

      10.1021/jacs.1c09757

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Control of dominant conduction orbitals by peripheral substituents in paddle-wheel diruthenium alkynyl molecular junctions2021

    • 著者名/発表者名
      Ogawa Shiori、Chattopadhyay Swarup、Tanaka Yuya、Ohto Tatsuhiko、Tada Tomofumi、Tada Hirokazu、Fujii Shintaro、Nishino Tomoaki、Akita Munetaka
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 12 ページ: 10871~10877

    • DOI

      10.1039/d1sc02407h

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Water Splitting Induced by Visible Light at a Copper‐Based Single‐Molecule Junction2021

    • 著者名/発表者名
      Fukuzumi Risa、Buerkle Marius、Li Yu、Kaneko Satoshi、Li Peihui、Kobayashi Shuji、Fujii Shintaro、Kiguchi Manabu、Nakamura Hisao、Tsukagoshi Kazuhito、Nishino Tomoaki
    • 雑誌名

      Small

      巻: 17 ページ: 2008109~2008109

    • DOI

      10.1002/smll.202008109

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Single-molecule determination of chemical equilibrium of DNA intercalation by electrical conductance2021

    • 著者名/発表者名
      Zhang Lu、Kaneko Satoshi、Fujii Shintaro、Kiguchi Manabu、Nishino Tomoaki
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 57 ページ: 4380~4383

    • DOI

      10.1039/d0cc08348h

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Organometallic Molecular Wires with Thioacetylene Backbones, trans‐{RS‐(C≡C)n}2Ru(phosphine)4: High Conductance through Non‐Aromatic Bridging Linkers2021

    • 著者名/発表者名
      Yashiro Atsushi、Tanaka Yuya、Tada Tomofumi、Fujii Shintaro、Nishino Tomoaki、Akita Munetaka
    • 雑誌名

      Chemistry - A European Journal

      巻: 27 ページ: 9666~9673

    • DOI

      10.1002/chem.202100828

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Single-Molecule Electric Switching Induced by Acid-base Reaction2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshihara Yuki、Fujii Shintaro、Higashibayashi Shuhei、Kiguchi Manabu、Nishino Tomoaki
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 50 ページ: 1271~1273

    • DOI

      10.1246/cl.210088

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermal transport properties of an oriented thin film of a paraffinic tripodal triptycene2021

    • 著者名/発表者名
      Imaizumi Takaki、Takehara Ryosuke、Yamashita Yuichiro、Yagi Takashi、Ishiwari Fumitaka、Shoji Yoshiaki、Wang Xiaohan、Murakami Yoichi、Nishino Tomoaki、Fukushima Takanori
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 60 ページ: 038002~038002

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abe340

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic Structure and Transport Properties of Single-Molecule Junctions with Different Sizes of π-Conjugated System2021

    • 著者名/発表者名
      Isshiki Yuji、Nishino Tomoaki、Fujii Shintaro
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 125 ページ: 3472~3479

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.0c05478

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Single-molecule junctions of multinuclear organometallic wires: long-range carrier transport brought about by metal?metal interaction2021

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Yuya、Kato Yuya、Sugimoto Kaho、Kawano Reo、Tada Tomofumi、Fujii Shintaro、Kiguchi Manabu、Akita Munetaka
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 12 ページ: 4338~4344

    • DOI

      10.1039/d0sc06613c

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Elementary processes of DNA surface hybridization resolved by single-molecule kinetics: implication for macroscopic device performance2021

    • 著者名/発表者名
      Harashima Takanori、Hasegawa Yusuke、Kaneko Satoshi、Jono Yuki、Fujii Shintaro、Kiguchi Manabu、Nishino Tomoaki
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 12 ページ: 2217~2224

    • DOI

      10.1039/d0sc04449k

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 単一分子接合のクロミズムと熱電能2022

    • 著者名/発表者名
      藤井 慎太郎,庄子 良晃,福島 孝典,西野 智昭
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] SERS計測によるナフタレンチオール二量体の電子輸送特性の解明2022

    • 著者名/発表者名
      本間 寛治,金子 哲,塚越 一仁,西野 智昭
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 単分子熱起電力の機械的変調2022

    • 著者名/発表者名
      Yue Yi,長 はる菜,藤井 慎太郎,西野 智昭
    • 学会等名
      日本化学会
  • [学会発表] α-テルチオフェン単分子接合の表面増強ラマン散乱による構造解析2021

    • 著者名/発表者名
      小林 柊司,金子 哲,西野 智昭
    • 学会等名
      日本表面真空学会学術講演会
  • [学会発表] リン酸基接合の電気伝導を利用した生体分子の単分子検出2021

    • 著者名/発表者名
      原島 崇徳,齋藤 誠悟,西野 智昭
    • 学会等名
      日本分析化学会第70年会
  • [学会発表] 表面増強ラマン散乱を用いた振動温度による単分子接合における局所加熱効果の観測2021

    • 著者名/発表者名
      金子哲, 西野智昭
    • 学会等名
      日本物理学会2021年 秋季大会
  • [学会発表] 金属―分子結合の破断過程における単分子接合の電子構造評価2021

    • 著者名/発表者名
      一色裕次, 藤井慎太郎,西野 智昭
    • 学会等名
      第15回分子科学討論会
  • [学会発表] チオフェン環を介した単分子接合の界面構造のSERS計測による観測2021

    • 著者名/発表者名
      小林柊司,金子哲,塚越一仁,西野智昭
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 単分子ワイヤ上における錯形成反応の観察と反応性の制御2021

    • 著者名/発表者名
      原島崇徳,西野智昭
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 電気伝導度計測に基づく核酸関連物質の単分子検出法の開発2021

    • 著者名/発表者名
      齋藤 誠悟,西野 智昭
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 自己組織化単分子膜上の温度場計測2021

    • 著者名/発表者名
      藤井慎太郎,庄子良晃,福島孝典,西野智昭
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 電気伝導度計測に基づく単一分子化学2021

    • 著者名/発表者名
      西野智昭
    • 学会等名
      新世代研究所 界面ナノ科学研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Self-restoring single-molecule junction by a DNA zipper2021

    • 著者名/発表者名
      T. Harashima, T. Nishino
    • 学会等名
      The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
    • 国際学会
  • [学会発表] Electronic Structure of a Single-Molecule Junction during the Junction-Breaking Process2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Isshiki, E. Montes, N. P. Arasu, T. Nishino, H. Vazquez, S. Fujii
    • 学会等名
      The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
    • 国際学会
  • [学会発表] Mechanically Tuned Thermopower of Single-Molecule Junctions2021

    • 著者名/発表者名
      S. Fujii, E. Montes, H. Cho, Y. Yue, M. Koike, M. Kiguchi, H. Vazquez, T. Nishino
    • 学会等名
      The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
    • 国際学会

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公開日: 2022-12-28  

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