有機エレクトロニクス分子の室温下での自己組織化構造と電子、光、スピン物性







有機FET、有機FET、有機太陽電池、など、様々な有機エレクトロニクス材料の集合体は、弱く相互作用をする系であり、室温の熱エネルギーと基板表面のポテンシャルとにより、多様な自己組織化構造を形成します。有機エレクトロニクス材料としての物性は、この自己組織化構造により決定されるといっても過言ではありません。


しかし室温環境でのこれらの材料の分子レベルの自己組織化構造は十分に知られていないことが多いのです。揺らぎの多い室温下での有機半導体固体は、計測自体が難しいためです。


個々の分子の電子状態は、既存の分光法や量子化学計算、また最近のヨーロッパを中心とした極低温環境下での単一分子化学の発展に伴い、詳細に知られてきました。我々の狙いは、これらの分子を室温下に置いた時の集合体としての形態とそのマクロ物性をとらえることです。ここでは、熱拡散があり、ファンデルワールス相互作用やその他の比較的弱い分子間相互作用があり、分子基板相互作用のバランスで集合系のかたちと性質がきまります。これだけパラメータが多いと、なかなか計算では結果が予言できません。しかし、このような状況において、我々の日常世界のデバイスや生き物が動いているわけです。


本研究室では室温分子専用STMを用いて、このような室温環境下の分子や原子の構造を安定に観察することができます。その様な分子集合体のマクロな物性として、光物性は過渡吸収分光(AIST細貝さん)、表面スピンはSP-MDSや放射光メスバウアー(QST未来ラボ境Gr)、表面電気伝導は四探針プローブ(NIMS内橋Gr)、表面電子状態は光電子分光(分子研解良Gr)などの共同研究を通じて研究しています。


現在の研究テーマは

(1)高結晶性有機半導体のフロンティア軌道重なり制御に基づく新規薄膜の創生
   〜Picene、DNTT、Sumaneneの高配向分子膜〜
(2)制御されたドーピングによる新物性創出(角)
   〜C60やSumaneneなど特殊なかたちの芳香族へのアルカリ金属ドーピング〜
(3)分子スピントロニクス材料の界面磁性(渡邊)
   〜磁性金属錯体分子、磁性ナノ粒子、単原子層物質のスピン〜
(4)超高配向有機EL材料薄膜の創生と光物性変調(張)
   〜TADF分子の超高配向膜を利用した高効率発光材料創製〜
(5)有機単結晶材料や有機太陽電池材料の表面科学の構築(岩澤)

などをターゲットとしています。

共同研究:若山Gr (NIMS)、細貝先生 (AIST)、解良Gr (分子研)、境Gr(QST未来ラボ)、中山Gr(東京理科大)、中野谷先生(九大OPERA)、Prof. E. Ortega (DIPC)

超音速He原子線による有機材料表面のリアルタイム計測
 〜ソフトな材料の表面科学の構築と、表面水素の科学〜  





有機分子の室温での自己組織化現象を本質的に捉えるためには、局所的でスナップショット的なSTMと相補的な、平均的、動的過程に関する視点が重要です。これを担うのが超音速分子線散乱法です。


超音速He原子線散乱は、熱エネルギー程度の低エネルギーで中性の原子ビームであり、非常に表面敏感な非破壊計測を可能とします。現在、再び最表面構造計測手法が注目されてきておりますが、He原子線は、"本当の"表面感度を持つ、唯一無二の計測手法です。これを利用して、壊れやすい有機分子膜の成長過程やこれまで他の手法では得ることが困難な情報を取得できます。さらに、He原子線は、表面にいる水素分子でさえ検出できます。

この様な超高感度技術を利用すると、今まで見えなかった有機物の表面が見えてきます。特にソフトなナノ材料の集合体の自己組織化の課程がリアルタイムで見えます。さらに、有機材料への水素吸着という、最高に見るのが難しい現象が見えます。これを使うと多くの面白い研究が可能になります。

現在のテーマとしては
(1)有機単結晶表面の表面科学
   〜構造、反応、etc.〜
(2)表面の水素の挙動
   〜ナノ炭素材料への水素の分子状化学吸着の研究〜
などをターゲットとしています。

共同研究:Clemson大学 J. R.Manson先生

FEMによる実空間、リアルタイムでの分子軌道イメージング
   〜ナノ炭素材料からの電子放出の解明、次世代電子源の創出〜



分子の自己組織化の素過程の理解において、表面上の分子のうごきや反応を実空間、実時間でみることは非常に重要ですが、これを可能にするのが電界放射顕微鏡/電界員顕微鏡です。


電界電子放出顕微鏡では、材料から電界放出された電子の像を実空間、実時間で観察できます。電界イオン顕微鏡では、材料表面の原子/分子レベルを実時間、原子分解能で観察することが出来ます。これらにより、表面上での分子の形や反応を実時間、分子分解能で捉えるという研究が可能となります。これも他の手法では困難な非常にユニークな計測であり、本研究室の他の手法と相補的な研究ができます。

一方、近年、グラフェンやカーボンナノチューブ等の炭素のナノ材料からの電子放出パターンに、分子軌道を反映した特徴的なパターンや、電子波の干渉と考えられるイメージが出現することが知られてきました。これは、分子軌道の波動関数がコヒーレントに真空中に放出できるという可能性を示していますが、この基礎は確立していません。しかし、この現象を理解し計測技術を確立できれば、分子軌道の実時間実空間イメージング手法が生み出されます。

一方、ナノ炭素材料は次世代の高品位電子源としての応用も期待されています。既存の電子放出材料は(実は至る所に使われているのですが)、かなり古い、マクロな理論に基づいて設計されており、実際それである程度はうまくいっているのです。しかし、これを凌駕する性能を出していくためには、やはりミクロなアプローチが必要となります。本研究では、ミクロな立場からの電子放出の基礎的学理を打ち立てることを狙っています。

現在のテーマとしては

(1)グラフェンエッジからの電子放出(西山)
(2)C60のSAMO軌道を介した電子放出(猪狩)
(3)単原子層材料による変面型電子放出素子創製(猪狩)

などをターゲットとしています。

共同研究:Ludwig-Maximilians University 柳沢先生、AIST村上先生、長尾先生

高分子-生体分子の自己組織化
 〜アミロイド線維〜




生体の高度な自己組織化にたどりつくためには、より大きな分子(高分子、生体分子)の自己組織化を検討する必要があります。


かといって、対象があまりに大きく、複雑にすぎるとよい研究になりません。ここでは、プローブ顕微鏡で追える程度の大きさの自己組織化構造として、タンパク質やペプチドの一次元状凝集形態であるアミロイド線維に注目しています。


アミロイド線維は、タンパク質/ポリペプチドがβシート結合により延々とつながっていく構造体の総称で、多くのタンパク質がこのような変性状態をとりうることら、タンパク質/ポリペプチドの比較的普遍的な集合形態であるとされています。しかしこれはいわば「結晶」であり、エネルギー的に安定化しているため、タンパク質のような「働き」はしません。むしろ、生体内でこれができると、アルツハイマー病のような神経変性疾患の原因となります。


このようにアミロイドは生命と物質でいうといわゆる物質側にいるものですので、マテリアルサイエンス的な扱いはできます。一方で、アミロイドとその形成過程に注目することによって、逆にネイティブ状態のタンパク質がなぜ「物質化」を免れて、「生き」た状態であり得るのか、がわかるのではないかという、かすかな期待もあります。

現在のテーマとしては
(1)アミロイド形成過程に与える異種分子添加の影響
(2)アミロイド-金属複合材料創製
などをターゲットとしています。

共同研究:筑波大学山本(洋平)先生、白木先生

真性粘菌の自己組織化
 〜なぞ〜


はてしない生命の自己組織化現象を研究するのに、単純な系として(多核)単細胞生物である真性粘菌は良いのではないかとおもわれます。今のところただみているだけです。しかし、数々の創発現象をいとも簡単に見せてくれます。わけが分かりません。

現在のテーマは
(1)えさやり
です。

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