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2020 Fiscal Year Annual Research Report

Creation of open-shell nonlinear optical molecular systems based on the generation, transport and transformation of singlet and triplet excitons

Research Project

Project/Area Number 18H01943
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

中野 雅由  大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (80252568)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 松井 啓史  地方独立行政法人 大阪健康安全基盤研究所, 衛生化学部, 研究員 (40827284)
久保 孝史  大阪大学, 理学研究科, 教授 (60324745)
鎌田 賢司  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (90356816)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Keywords一重項分裂 / 非線形光学 / 開殻性 / エキシトン / 一重項-三重項変換 / 分子集合系 / ダイナミクス
Outline of Annual Research Achievements

本年度は、昨年度に引き続き、窒素と硫黄を置換したバタフライ型のアセンについて、量子化学計算、励起子動力学シミュレーション、Marcus理論を用いてSF-induced-NLO物性の検討を行った。その結果、これらの系は、効率的なSFのエネルギーレベル整合条件を満たし、典型的なSF分子であるペンタセンよりも優れた3次NLO特性(2次超分極率γ)を示すことがわかった。また、様々なスリップ積層二量体モデルについて、相関三重項対[1(TT)]状態のSF速度とγを調べた。比較的大きな1(TT)収率を持つパッキングでは、1(TT)状態のγ/モノマーが大幅に増加することが観測され、以前の研究で得られた設計指針とよく一致している。特に、ヘテロ原子を含むバタフライ型のアセンは、他の系に比べてγ/monomerが大きく増加していることがわかった。今回得られた結果は、効率的なSF誘起NLO材料の設計指針の構築に貢献するとともに、バタフライ型アセンが従来のNLOシステムを超える可能性があることを示している。SFダイナミクスの方法論に関しては、結晶場効果について古典分極力場を用いた計算法を導入し、相対緩和因子を用いた解析法の開発に成功した。以上により、ミクロからマクロに亘るSF現象の計算解析手法が確立したため、より包括的・総合的なSFの新しい発現・制御機構や物質設計原理の発見のために最終年度前年度申請をおこない、採択された。合成実験サイドでは、アントラセン環同士を分子内で空間的に近接させた分子の合成を行い、その光物性について調べた。光学物性測定実験サイドでは、マルチラジカル性固体のNLO特性ついて、ラジカル性分子微結晶の二光子吸収スペクトル特性の再現性確認を行い、前年度の結果との整合性を確認した。これらの結果は、新たに採択された基盤Bにおいて新規SF系の観点からより詳細な機構解明に繋がると期待される。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (53 results)

All 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (21 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Peer Reviewed: 21 results,  Open Access: 1 results) Presentation (27 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Namur University(ベルギー)

    • Country Name
      BELGIUM
    • Counterpart Institution
      Namur University
  • [Int'l Joint Research] Univ. of Malaga(スペイン)

    • Country Name
      SPAIN
    • Counterpart Institution
      Univ. of Malaga
  • [Int'l Joint Research] Oregon Univ.(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Oregon Univ.
  • [Int'l Joint Research] Yosei University(韓国)

    • Country Name
      KOREA (REP. OF KOREA)
    • Counterpart Institution
      Yosei University
  • [Journal Article] Theoretical Study on Third-Order Nonlinear Optical Properties for One-Hole-Doped Diradicaloids2021

    • Author(s)
      Yoshida Wataru、Matsui Hiroshi、Miyamoto Hajime、Tonami Takayoshi、Sugimori Ryota、Yoneda Kyohei、Kishi Ryohei、Nakano Masayoshi
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 6 Pages: 3046~3059

    • DOI

      10.1021/acsomega.0c05424

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Stabilization of Charge-Transfer States in Pentacene Crystals and Its Role in Singlet Fission2021

    • Author(s)
      Nagami Takanori、Miyamoto Hajime、Sakai Ryota、Nakano Masayoshi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 125 Pages: 2264~2275

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.0c10029

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Synthesis of Anthracene‐Based Cyclic π‐Clusters and Elucidation of their Properties Originating from Congested Aromatic Planes2021

    • Author(s)
      Nishiuchi Tomohiko、Kisaka Kazuki、Kubo Takashi
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 60 Pages: 5400~5406

    • DOI

      10.1002/anie.202013349

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Diindenoanthracene Diradicaloids Enable Rational, Incremental Tuning of Their Singlet-Triplet Energy Gaps2020

    • Author(s)
      Dressler Justin J.、Cardenas Valdivia Abel、Kishi Ryohei、Rudebusch Gabriel E.、Ventura Austin M.、Chastain Brian E.、Gomez-Garcia Carlos J.、Zakharov Lev N.、Nakano Masayoshi、Casado Juan、Haley Michael M.
    • Journal Title

      Chem

      Volume: 6 Pages: 1353~1368

    • DOI

      10.1016/j.chempr.2020.02.010

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Molecular Design Principle for Efficient Singlet Fission Based on Diradical Characters and Exchange Integrals: Multiple Heteroatom Substitution Effect on Anthracenes2020

    • Author(s)
      Nagami Takanori、Okada Kenji、Miyamoto Hajime、Yoshida Wataru、Tonami Takayoshi、Nakano Masayoshi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 124 Pages: 11800~11809

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.0c02369

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Theoretical Study of Non-Markov Effects on Singlet Fission Dynamics of Model Pentacene Dimers Using the Second-Order Time-Convolutionless Quantum Master Equation Method2020

    • Author(s)
      Yoshida Wataru、Okada Kenji、Miyamoto Hajime、Tonami Takayoshi、Nagami Takanori、Nakano Masayoshi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 124 Pages: 12220~12229

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.0c01892

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ultrafast Exciton Self‐Trapping and Delocalization in Cycloparaphenylenes: The Role of Excited‐State Symmetry in Electron‐Vibrational Coupling2020

    • Author(s)
      Kim Juno、Kishi Ryohei、Kayahara Eiichi、Kim Woojae、Yamago Shigeru、Nakano Masayoshi、Kim Dongho
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 59 Pages: 16989~16996

    • DOI

      10.1002/anie.202006066

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Theoretical study on aromatic and open-shell characteristics of carbon nanobelts composed of indeno[1,2-b]fluorene units: dependence on the number of units and charge states2020

    • Author(s)
      Kishi Ryohei、Yamane Masaki、Sugiura Ryosuke、Yoshida Wataru、Shimizu Yosuke、Nakano Masayoshi
    • Journal Title

      RSC Advances

      Volume: 10 Pages: 25736~25745

    • DOI

      10.1039/D0RA04787B

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Theoretical Study on Singlet Fission Dynamics in Pentacene Ring‐Shaped Aggregate Models with Different Configurations2020

    • Author(s)
      Miyamoto Hajime、Nakano Masayoshi
    • Journal Title

      ChemPhotoChem

      Volume: 4 Pages: 5249~5263

    • DOI

      10.1002/cptc.202000089

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Late-Stage Modification of Electronic Properties of Antiaromatic and Diradicaloid Indeno[1,2-b]fluorene Analogues via Sulfur Oxidation2020

    • Author(s)
      Dressler Justin J.、Barker Joshua E.、Karas Lucas J.、Hashimoto Hannah E.、Kishi Ryohei、Zakharov Lev N.、MacMillan Samantha N.、Gomez-Garcia Carlos J.、Nakano Masayoshi、Wu Judy I.、Haley Michael M.
    • Journal Title

      The Journal of Organic Chemistry

      Volume: 85 Pages: 10846~10857

    • DOI

      10.1021/acs.joc.0c01387

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Theoretical Molecular Design of Phenanthrenes for Singlet Fission by Diazadibora-Substitution2020

    • Author(s)
      Nagami Takanori、Miyamoto Hajime、Yoshida Wataru、Okada Kenji、Tonami Takayoshi、Nakano Masayoshi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry A

      Volume: 124 Pages: 6778~6789

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.0c05359

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quantum design for singlet-fission-induced nonlinear optical systems: Effects of π-conjugation length and molecular packing of butterfly-shaped acenes2020

    • Author(s)
      Tonami Takayoshi、Nagami Takanori、Okada Kenji、Yoshida Wataru、Miyamoto Hajime、Nakano Masayoshi
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 153 Pages: 084304~084304

    • DOI

      10.1063/5.0013985

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Theoretical Study on Singlet Fission Dynamics in Sumanene-Fused Acene Dimers2020

    • Author(s)
      Okada Kenji、Nakano Masayoshi、Miyamoto Hajime、Nakazawa Hironobu、Uetake Yuta、Sakurai Hidehiro
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 124 Pages: 19499~19507

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.0c06215

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Vibronic coupling density analysis and quantum dynamics simulation for singlet fission in pentacene and its halogenated derivatives2020

    • Author(s)
      Nagami Takanori、Tonami Takayoshi、Okada Kenji、Yoshida Wataru、Miyamoto Hajime、Nakano Masayoshi
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 153 Pages: 134302~134302

    • DOI

      10.1063/5.0024746

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Monoradicals and Diradicals of Dibenzofluoreno[3,2-b]fluorene Isomers: Mechanisms of Electronic Delocalization2020

    • Author(s)
      Hayashi Hideki、Barker Joshua E.、Cardenas Valdivia Abel、Kishi Ryohei、MacMillan Samantha N.、Gomez-Garcia Carlos J.、Miyauchi Hidenori、Nakamura Yosuke、Nakano Masayoshi、Kato Shin-ichiro、Haley Michael M.、Casado Juan
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 142 Pages: 20444~20455

    • DOI

      10.1021/jacs.0c09588

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Low-Temperature Removal of Dissociated Bromine by Silicon Atoms for an On-Surface Ullmann Reaction2020

    • Author(s)
      Sun Kewei、Nishiuchi Tomohiko、Sahara Keisuke、Kubo Takashi、Foster Adam S.、Kawai Shigeki
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 124 Pages: 19675~19680

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.0c06188

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Polymerization Photoinitiators with Near-Resonance Enhanced Two-Photon Absorption Cross-Section: Toward High-Resolution Photoresist with Improved Sensitivity2020

    • Author(s)
      Arnoux Caroline、Konishi Tatsuki、Van Elslande Emma、Poutougnigni Eric-Aime、Mulatier Jean-Christophe、Khrouz Lhoussain、Bucher Christophe、Dumont Elise、Kamada Kenji、Andraud Chantal、Baldeck Patrice、Banyasz Akos、Monnereau Cyrille
    • Journal Title

      Macromolecules

      Volume: 53 Pages: 9264~9278

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.0c01518

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Anion‐Responsive Molecules That Exhibit Switching of Two‐Photon Optical Properties2020

    • Author(s)
      Haketa Yohei、Kamada Kenji、Maeda Hiromitsu
    • Journal Title

      ChemPlusChem

      Volume: 85 Pages: 1719~1729

    • DOI

      10.1002/cplu.202000503

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Triplet-triplet annihilation upconversion through triplet energy transfer at a nanoporous solid-liquid interface2020

    • Author(s)
      Mizokuro Toshiko、Abulikemu Aizitiaili、Suzuki Kengo、Sakagami Yusuke、Nishii Ritsuki、Jin Tetsuro、Kamada Kenji
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 22 Pages: 17807~17813

    • DOI

      10.1039/D0CP01735C

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Two-Photon Emissive Dyes Based on Push-Pull Purines Derivatives: Toward the Development of New Photoluminescence Bioprobes2020

    • Author(s)
      Zucolotto Cocca Leandro H.、Abegao Luis M. G.、Sciuti Lucas F.、Vabre Roxane、de Paula Siqueira Jonathas、Kamada Kenji、Mendonca Cleber R.、Piguel Sandrine、De Boni Leonardo
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 124 Pages: 12617~12627

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.0c01859

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effect of Crystallinity in Stretched PVA Films on Triplet-Triplet Annihilation Photon Upconversion2020

    • Author(s)
      Mori Tomohiro、Mori Takeshi、Fujii Akira、Saito Akane、Saomoto Hitoshi、Kamada Kenji
    • Journal Title

      ACS Applied Polymer Materials

      Volume: 2 Pages: 1422~1428

    • DOI

      10.1021/acsapm.0c00020

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 3サイト2 電子原子価配置間相互作用(VBCI)モデルを用いたホールドープジラジカロイドにおける開殻性と三次非線形光学物性の相関の解析2021

    • Author(s)
      吉田 航、松井 啓史、宮本 孟、岸 亮平、中野 雅由
    • Organizer
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
  • [Presentation] 対称ヘテロ直鎖状ペンタセン集合系の一重項分裂ダイナミクスの理論研究2021

    • Author(s)
      中野雅由、宮本孟、徳山和明
    • Organizer
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
  • [Presentation] Dicyclopenta-fused aceneの2電子酸化還元状態およびホウ素・窒素置換系における開殻性の鎖長依存性についての理論研究2021

    • Author(s)
      清水 陽介、岸 亮平、吉田 航、池内 雅登、正田 迅己、中野 雅由
    • Organizer
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
  • [Presentation] ペンタセン一次元集合系モデルにおけるシングレットフィッションダイナミクス:slip-stack 型配置とherringbone型配置の比較2021

    • Author(s)
      徳山 和明、宮本 孟、永海 貴識、中野 雅由
    • Organizer
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
  • [Presentation] テトラシクロペンタテトラフェニレン二量体の芳香族性、開殻性、光・磁気物性の相関に関する理論研究2021

    • Author(s)
      杉浦 亮介、岸 亮平、清水 陽介、池内 雅登、吉田 航、正田 迅己、永海 貴識、戸部 義人、中野 雅由
    • Organizer
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
  • [Presentation] 湾曲π共役分子系のシングレットフィッション:ペリレン/ペロピレン骨格の屈曲効果2021

    • Author(s)
      岡田 健治、坂井 亮太、中野 雅由
    • Organizer
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
  • [Presentation] 高効率一重項分裂材料設計に向けた分子内電荷分極を有する縮環共役分子系のエネルギー整合条件についての理論研究2021

    • Author(s)
      坂井 亮太、岡田 健治、永海 貴識、中野 雅由
    • Organizer
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
  • [Presentation] バタフライ型アセンの一重項分裂誘起非線形光学特性に関する理論研究2021

    • Author(s)
      當波 孝凱、杉森 亮太、坂井 亮太、中野 雅由
    • Organizer
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
  • [Presentation] ペンタセン環状分子集合系の一重項分裂ダイナミクスにおける分子配向及び集合系サイズ依存性2021

    • Author(s)
      宮本 孟、徳山 和明、中野 雅由
    • Organizer
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
  • [Presentation] 高効率シングレットフィッションのための湾曲π共役分子系の量子設計:ペリレン/ペロピレン骨格の屈曲効果2021

    • Author(s)
      岡田 健治、坂井 亮太、中野 雅由
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] ペンタセン環状集合系モデルのシングレットフィッションダイナミクスに関する理論研究:集合系サイズ及び分子配向依存性2021

    • Author(s)
      宮本 孟、徳山 和明、中野 雅由
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] 対称ヘテロ直鎖状ペンタセン4量体モデルのシングレットフィッションダイナミクスの理論研究2021

    • Author(s)
      中野 雅由、宮本 孟、徳山 和明
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] 量子化学計算による分子内電荷分極を有するシングレットフィッション候補分子の探索2021

    • Author(s)
      坂井 亮太、岡田 健治、永海 貴識、中野 雅由
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] ホウ素窒素含有アントラセンの一重項分裂誘起三次非線型光学特性に関する理論研究2021

    • Author(s)
      杉森 亮太、當波 孝凱、中野 雅由
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] 一次元π積層開殻分子集合系における電子構造と光応答物性の分子間配置依存性についての理論研究2021

    • Author(s)
      正田 迅己、岸 亮平、吉田 航、清水 陽介、池内 雅登、中野 雅由
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] Dicyclopenta-fused aceneの2電子酸化還元状態およびホウ素・窒素置換系の開殻性と芳香族性の鎖長依存性についての理論研究2021

    • Author(s)
      清水 陽介、岸 亮平、吉田 航、池内 雅登、正田 迅己、中野 雅由
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] 反芳香族分子のπ三量体における構造、芳香族性、開殻性に関する理論研究2021

    • Author(s)
      池内 雅登、岸 亮平、吉田 航、清水 陽介、正田 迅己、中野 雅由
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] ペンタセン二量体モデルの一重項分裂ダイナミクスに対する外部静電場印加効果に関する理論研究2021

    • Author(s)
      當波 孝凱、杉森 亮太、坂井 亮太、中野 雅由
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] 3つのアセチルアセトナト配位子を有するジスプロシウム(III)錯体の電子状態と磁気異方性に関する理論研究2021

    • Author(s)
      長 奎吾、池永 和輝、北河 康隆、中野 雅由
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] Slip-stack型およびherringbone型配置のペンタセン一次元集合系モデルにおけるシングレットフィッションダイナミクス2021

    • Author(s)
      徳山 和明、宮本 孟、永海 貴識、中野 雅由
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] スピン非制限CC2法による一重項開殻分子系の光応答物性計算についての理論研究2021

    • Author(s)
      岸 亮平、横山 麻紗子、吉田 航、清水 陽介、池内 雅登、正田 迅己、中野 雅由
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] モノラジカル分子三量体カチオンの三次非線形光学物性に関する理論研究2021

    • Author(s)
      吉田 航、松井 啓史、宮本 孟、杉森 亮太、當波 孝凱、岸 亮平、中野 雅由
    • Organizer
      日本化学会 第101回春季年会(オンライン開催)
  • [Presentation] 環状チアジルラジカル3量体の3次非線形光学物性に関する理論研究:ホールドープ効果2020

    • Author(s)
      吉田航, 松井啓史, 宮本孟, 當波孝凱, 杉森亮太, 岸亮平, 中野雅由
    • Organizer
      分子科学オンライン討論会
  • [Presentation] ジラジカル因子と交換積分に基づく新奇シングレットフィッション分子の設計原理:小サイズ色素への多重ヘテロ原子置換効果2020

    • Author(s)
      永海貴識, 當波孝凱, 岡田健治, 吉田航, 宮本孟, 杉森亮太, 中野雅由
    • Organizer
      分子科学オンライン討論会
  • [Presentation] 反芳香族化合物テトラシクロペンタテトラフェニレンのπ二量体における開殻性、芳香族性、光物性の積層構造依存性に関する理論研究2020

    • Author(s)
      杉浦亮介, 岸亮平, 清水陽介, 吉田航, 永海貴識, 戸部義人, 中野雅由
    • Organizer
      分子科学オンライン討論会
  • [Presentation] スマネン縮合アセン二量体モデルにおけるシングレットフィッションに関する理論研究2020

    • Author(s)
      岡田健治, 中野雅由, 宮本孟, 中澤廣宣, 植竹裕太, 櫻井英博
    • Organizer
      分子科学オンライン討論会
  • [Presentation] ペンタセン環状集合系のシングレットフィッションダイナミクスにおけるサイズ及び配向依存性2020

    • Author(s)
      宮本孟, 岡田健治, 吉田航, 當波孝凱, 永海貴識, 杉森亮太, 中野雅由
    • Organizer
      分子科学オンライン討論会
  • [Remarks] 量子化学工学グループ(中野研究室)ホームページ

    • URL

      http://www.cheng.es.osaka-u.ac.jp/nakano/index.html

URL: 

Published: 2021-12-27  

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