自己組織化制御による 新規分子素子を目指した基盤研究

自己組織化制御による
新規分子素子を目指した基盤研究
メンバー
(代表) 横山　崇　准教授
橘　勝　教授
篠崎一英　教授
立川仁典　教授
高山光男　教授
重田諭吉　教授
梶原康宏　教授
1
キーワードは
「自己組織化」
自己組織化とは？
「他の制御なしに自発的に組織や構造を作り出すこと」
2
機能性分子を利用した次世代電子素子
有機トランジスタ
有機EL
SONY
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20031121/60293/
単一分子素子
3
正孔輸送層
ソース
ゲート
有機トランジスタ
ドレイン
発光層
電子輸送層
発光
有機EL
＜現状＞
半導体結晶から分子薄膜に材料を代えただけ
しかも，結晶ではなくアモルファス
分子の並び方を”精密に”，”思い通りに”制御できれば，
自在な素子設計が可能になる！！
自己組織化を利用して構造制御
4
プロジェクトの研究体制
生体分子応用(梶原):8%
デバイス(橘):20%
分子合成・光機能(篠崎)20% 単一分子計測(横山):20%
分子自己組織化
理論(立川):13%
質量分析(高山):8%
ナノ測定(重田):10%
分子の自己組織化制御
教員同士の自己組織化
5
主要３テーマの
研究成果トピックス
6
自己組織化によるデバイス特性の向上(橘)
単結晶を用いたFET
ゲート
ソース
ドレイン
単結晶を用いることで
自己組織化の有用性を探る
有機トランジスタ
プレートサブリメーション法
テトラセン
(10-5 Pa)
育成されたテトラセン単結晶
これまで困難だった巨大単結晶を作成！！
7
自己組織化によるデバイス特性の向上(橘)
単結晶を用いたFET
性能
高
単結晶試料の
デバイス特性(移動度)の測定
薄膜(アモルファス的)
劈開テトラセン
単結晶
107up
荷重
ゴム片
ソース
Au
n+-
Au
薄膜（多結晶的）
SiO2
Si(ゲート)　HP 4156C
VG
ドレイン
A
105up
ID
VD
単結晶
キャリア移動度（cm2/Vs）
テトラセンFETにおける世界最高値を実現！！
自己組織化(結晶性)がデバイス特性に大きく影響することを証明した
8
自己組織化変化による光特性(篠崎)
Pt錯体のエキシマー発光
Pt錯体
分子の色
すりつぶし
処理
結晶構造
すりつぶし処理によって，
光励起状態で分子自己組織化
が変化(二量体化)!!
→ 発光特性の変化
オレンジ発光
黄色発光
Intensity (a.u.)
発光色
Wavelength(nm)
9
自己組織化変化による光特性(篠崎)
ロジウム錯体の水素ガス添加による色変化
!#
!#
[Rh(bpy)2H2]+
H
H
H
570nm
H
H
Time (μs)
!#
0.97μs
H
&
!#1$ "%
ロジウム錯体への水素ガスの付加・脱着制御
10
基板上での自己組織化制御(横山)
形状効果によって異性体の分離や混合を制御
C6 chain
シス相
トランス相
6T-Si-Dod
異性体分離
C12 chain
6T-Si-Hex
6T-Si-Hex
C6 chain
混合相
6T-Si-Et
トランス
C2 chain
6T-Si-Pro
シス
C3 chain
混合
T.Yokoyama et al. JPC C(2008)
11
基板上での自己組織化制御(横山)
超分子テンプレートを利用した高次構造制御
多層に積み重ねる
+
F.Nishiyama, T.Yokoyama et al. APL(2006)
異種分子を取り込ませる
monolayer thickness of
trans-COOH porphyrin
水素結合による
自己組織化分子テンプレート
Close packed assembly of
C60 without a temprate
F.Nishiyama,T.Yokoyama et al. Adv.Mater.(2007)
12
単一分子計測(横山)
ポルフィリン・ヘテロダイマー
Aviram & Ratnerが提案した分子ダイオード
e-
e-
N
N
NH
N
N
N
Co
N
HN
占有状態(Vs=-1.0V)
EF
P
N
非占有状態(Vs=+1.0V)
Si Si
N
S
Si Si
N
Si Si
N
S
S
S
S
S
N N
Si Si Si Si
S
Si Si
N
Si Si
N
S
S
S
S
S
N N
Si Si Si Si
S
Si Si
N
Si Si
N
S
S
S
S
S
N N
Si Si Si Si
S
Si Si
N
S
S
S
S
S
N N
Si Si Si Si
10nmワイヤー：24T-Si-Dod
10nm分子ワイヤ構造の直接計測
分子ダイオードの直接計測
13
それ以外の研究成果トピックス
14
それ以外の研究成果トピックス
厳密計算への挑戦(立川)
２探針STM(重田)
[HCN;e+]
Unit 2
Unit 1
+Y
-Z
-Y
Tip2
Tip1
+Z
+X
MC_MO(HF) -92.90074 (hartree)
[ e-/e+= 6-311++G(2d,2p)
/15s 15p 6d 2f ]
VMC
-93.2591(5)
[1]
[ e-: 6-311++G(2d,2p)
e+: 6-311++G(2d,2p)
+ 10s GTF (off-atom)]
+Z
-92.901915
CISD
Sample
Tip2
Tip1
DMC
-93.39830(8)
量子モンテ
テカルロ法による
数値的変分解の
の世界記録樹立！
[1] H. Chojnacki and K. Strasburger, Mol. Phys. 104
2273 (2006)
ナノテスター立ち上げ段階
15
それ以外の研究成果トピックス
大気イオンの水和(高山)
大気中の負イオンと水の間の
自己組織化構造を明らかにした
水和構造の質量分析スペクトル
糖タンパク質合成(梶原)
ヒト型糖鎖を持つタンパク質の
化学合成に成功
NHK TVでも報道
16
教員同士の自己組織化
自己組織化とは？
「他の制御なしに自発的に組織や構造を作り出すこと」
17
分子間の斥力を利用した自己組織化
(横山＋篠崎)
双極子相互作用
repulsion
top view
りん光分子
+
Ir(PPY)3
attraction
+
side view
+
Dipole
18
双極子モーメントを揃えることで
単一分子分散を実現
T = 81K 95nm95nm
19
Repulsive intermolecular interactions
of Ir(PPY)3 on Cu(111)
6nm x6nm
T = 81K 95nm95nm
Dipole
adsorption structure obtained by
Quantum Chemical Calculations
Physica Review Letters誌
の注目論文
20
シアル酸転移反応機構の理論的解析
(立川＋梶原)
QM/MM法
シアリル糖鎖
生体内において細胞間の接着・
分化、神経繊維の発達に関わる
Fig.1. シアル酸
Fig.2. シアル酸転移酵素
ＣＭＰ
シアル酸転移酵素
酵素中でどのように反
反応機構
が進行するのか？
CMP-
（SN1 or SN2 ?)
CMP
シアル酸
r2
Fig.3. シアル酸転移反応
理論計算によってシアル酸転移の
反応機構を解明する
r1
1
糖受
受容体
計算モデル
21
MALDIにおけるプロトン化過程の理論計算
(立川＋高山)
MALDIにおけるイオン化収率と
プロトン親和性の関係を理論解
析によって明らかにする
一般的に気相中のプロトン親和性に
依存するMALDIのイオン化収量が、
依存しない場合がある
H
N
C
H
C
O
H
H
C
C
H
O
O
H
H
22
新規分子を用いた有機FETの試作
(橘＋篠崎)
ソース
ゲート
ドレイン
有機トランジスタ
高性能FET実現のため，最適材料探査を
分子合成レベルから行う
23
顕著な研究成果など
24
受賞
•文部科学大臣表彰科学技術賞(若手科学者賞)：立川仁典教授
•日本分析化学会学生奨励賞：関本泰子（高山研究室）
•日本化学会学生講演賞：鈴木机倫（立川研究室）
•日本化学会学生講演賞：岡本亮（梶原研究室）
•日本表面科学会講演奨励賞：西山文貴（横山研究室）
25
発表した高インパクトファクター論文
10.0 Angewandte Cheme　(梶原)
8.2 Advanced Materials　(横山)
7.9 Journal of American Chemical Society　(梶原:NHK TV報道)
7.1 Physical Review Letters　(横山+篠崎:注目論文)
5.3 Analytical Chemistry　(高山)
5.1 Chemical Communications　(梶原)
4.1 Journal of Physical Chemistry B&C　(横山x3,立川)
4.0 Journal of Organic Chemistry　(梶原)
4.0 Crystal Growth & Design　(橘)
3.6 Applied Physics Letters　(横山)
3.5 ChemPhysChem　(立川)
3.2 Organic Biomolecular Chemistry　(梶原)
3.0 Physical Review A　(立川)
3.0 Journal of Chemical Physics　(立川x7)
26
外部予算申請
大学院教育改革支援プログラム(大学院GP)
「計算科学を実践できる自立型実験系人材育成」
代表・全体の総括：橘　勝　副代表・計算科学教育の総括：立川仁典
自立型実践教育の総括：梶原康宏
実験科学教育の総括：横山　崇
残念ながら不採択(審査対象外？)・来年度再挑戦
27
まとめ
生体分子応用(梶原)
デバイス(橘)
分子合成・光機能(篠崎)
単一分子計測(横山)
分子自己組織化
理論(立川)
質量分析(高山)
分子の自己組織化と機能
教員同士の自己組織化
ナノ測定(重田)
今後の発展に期待!!
28