NIMSと大阪大学を中心とする国際研究チームは、走査型プローブ顕微鏡の探針を用いて、一つの分子内の特定の位置に対して、臭素原子やフラーレン分子を直接的に付加反応させることに成功しました。本成果は、従来の溶液中の化学合成では得られない機能的な炭素ナノ構造体の合成を可能にし、その優れた電気的特性を生かしたナノエレクトロニクス素子への応用が期待されます。

走査型プローブ顕微鏡の撮像技術が大幅に向上し、物質の表面上に吸着させた単分子一つの構造を直接的に観察できるようになりました。さらに、その探針を使って分子から特定の原子を取り除く構造変化も可能となり、一つの分子を操作して望みの物質を合成するボトムアップ型の化合物合成が世界的に試みられています。特に、優れた電気伝導性や強靭さを持つグラフェンなどの炭素ナノ構造体は将来のエレクトロニクスを支える材料として期待され、炭素以外の原子を導入する試みが行われていますが、特定の部位に、別の原子や分子を直接くっつける付加反応はこれまで困難でした。

今回研究チームは、ユニークな構造の3次元グラフェンナノリボンを合成し、飛び出ている臭素原子の特定部位をフラーレン分子に置き換える反応に成功しました。まずは前駆体分子を加熱し重合反応によって3次元グラフェンナノリボンを合成しました。飛び出ている臭素原子を取り除くと、通常溶液中では不安定になってすぐに他の分子と反応してしまいます。そこで、極低温超高真空という極限環境で臭素原子が取り除かれた状態を維持し、さらに探針の先につけた臭素原子やフラーレン分子を、その反応性の高い部位に直接的に取り付けることで、特定部位へ行う付加反応に初めて成功しました。
本手法により、ナノグラフェンの構造を超精密に変化させることが可能になることで、エレクトロニクス素子としての新機能開発に繋がると期待されます。

本研究は 、国立研究開発法人物質・材料研究機構　国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(WPI-MANA)ナノ機能集積グループ川井 茂樹 主幹研究員と、国立大学法人大阪大学数理物質系　久保 孝史 教授、フィンランドAalto大学Adam Foster教授、スイスBasel大学Ernst Meyer教授らの国際共同研究チームによって行われました。また、本研究は、文部科学省科学研究費補助金事業 (19H00856, 18K19004) およびNIMS連携拠点推進制度による支援の下で行われました。本研究成果は、Science　Advances誌にて米国東部時間2020年2月28日14時 (日本時間29日4時) にオンライン公開されます。

掲載論文

題目 : Three-dimensional Graphene Nanoribbons as a Framework for Molecular Assembly and Local Probe Chemistry
著者 : Shigeki Kawai, ndřej Krejči, Tomohiko Nishiuchi, Keisuke Sahara, Takuya Kodama, Rémy Pawlak, Ernst Meyer, Takashi Kubo, and Adam S. Foster
雑誌 : Advanced Functional Materials
掲載日時 : 2020年8月25日19時 (中央ヨーロッパ時間25日12時)
DOI : 10.1126/sciadv.aay8913