東工大,金属と分子の結合形成過程を分子レベルで解明

東京工業大学の研究グループは,単分子接合の電気特性を精密計測して,金属電極と分子間の結合形成過程を分子レベルで解明する事に成功した(ニュースリリース)。

有機ELや有機太陽電池などの有機デバイスの動作機構の解明,機能向上に不可欠な金属表面上の分子吸着系については様々な研究が行なわれてきたが,金属と分子の距離を精密に制御し,準安定状態で,その構造や電子状態を決定することが実験的に難しいため,金属と分子の距離を変えながら,界面構造や電子状態の変化を明らかにすることは困難であった。

研究グループでは,金属電極間に単分子を架橋させた単分子接合を用いて,電極間距離を変化させながら,単分子接合のI-V特性の計測から,電子状態を導き出した。まず,走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて,ジアミノベンゼン(DAB),ピラジン(PY),ビピリジン(BPY),フラーレン(C60)の各分子と金属電極からなる単分子接合を作製した。単分子接合の電流―電圧特性(I-V特性)を計測することで,分子軌道のエネルギー位置を実験的に決定した。

金属と分子間の距離に応じ,分子軌道のエネルギー位置は変化するが,これは金属と分子の結合様式に依存することがわかった。理論計算でも,金属と分子間の距離に依存した軌道エネルギーシフトを再現し,さらに実験結果と比較することで金属と分子界面の構造を決定した。

この研究により,金属と分子の距離に応じた分子軌道のエネルギーシフトを実験的に見出すことができた。これは,金属と分子間の化学結合の形成過程を明らかにできたことを意味する。また,金属と分子の結合様式に応じて,軌道のエネルギーシフトの方向,シフト量が変化する様子が明らかとなった。

有機EL,太陽電池などの有機デバイスでは,分子軌道のエネルギー位置が界面における電子移動の速度を決めるなど,決定的な役目をする。今回,分子軌道のエネルギー位置をπ結合で距離によりチューニングすることが可能であることを示した。また,分子軌道のエネルギーは分子ごとに異なるが,適切な距離に分子をおくことで,デバイス特性を最適な電子状態できる指針も与えた。この知見より,有機デバイス特性を向上させることができるとしている。

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