常圧下で金属伝導性を示す単一の純有機分子の創製に成功
~高い伝導性と、耐久性・安定性・加工性を兼ね備えた新しい有機伝導材料の開発に道~
国立研究開発法人 物質・材料研究機構 (NIMS)
NIMSの研究チームは、金属元素を一切含まない単一成分の有機分子を新規に設計することにより、常圧条件下で、金属伝導性を発現することに世界で初めて成功しました。
概要
- 国立研究開発法人物質・材料研究機構 機能性材料研究拠点の小林由佳主幹研究員らの研究チームは、金属元素を一切含まない単一成分の有機分子を新規に設計することにより、常圧条件下で、金属伝導性を発現することに世界で初めて成功しました。不純物を含まないため、従来の有機伝導材料で課題だった耐久性や安定性が向上し、太陽電池用電極やタッチパネルなどへ応用されることが期待されます。
- 軽元素のみから構成される有機分子そのものは、本来、電気を流すためのキャリアを持たないため、金属のような良導体ではありません。そこで、これまで50年以上もの間、性質の異なる複数の分子を混合して個々の分子の性質を変化させ、キャリアを発生させる方法を用いて純有機金属が合成されてきました。そのうちの1つに伝導性高分子があり、発見した白川英樹博士がノーベル賞を受賞したことでも有名です。しかし複数の分子を混合することから、安定性や耐久性に課題が残っています。一方、単一成分からなる純有機物で金属伝導性を発現するためには、最低でも1ギガパスカル以上もの高圧を印加する必要がありました。そのため、純有機物から構成される単一成分分子を常圧下で金属のような伝導性を発現させることは、極めて難しいと長年考えられてきました。
- 今回、本研究チームでは、キャリアとなり得るホールを分子自身の中に自発的に発生する独自の設計を施し、常圧条件下で、幅広い温度範囲で金属伝導性を発現する純有機分子の創製を実現しました。この分子 (略称TED) のみからできた膜の室温における電気伝導度は530 S/cm (S : ジーメンス=抵抗の逆数) 、 50 Kでは1000 S/cmを示し、有機金属の中でもトップクラスに位置します。さらに、分子軌道計算により、TED上のスピン密度には他のラジカル分子に見られない顕著な勾配が存在し、この電子状態が単一成分分子で金属性を発現する機構に関係する可能性を見出しました。
- 本発見は、今後、高伝導性有機材料の設計において大きく2つの指針を提供するものと考えられます。1つ目は、伝導性を発現させるために不純物を添加するポストドープが必要なくなり、有機伝導性材料の耐久性や化学的安定性を飛躍的に向上させる分子設計が可能となること、2つ目は、印刷技術を転用した方法 (プリンタブル法) により、簡便に高伝導性有機材料を合成できる実用的な方向性です。
- 本研究は、JSPS最先端次世代研究開発プログラム[NEXT] (研究代表者 : 小林由佳) の一環として行われた研究をさらに発展させたものです。
- 本研究成果は、Nature Materials 誌オンライン版に2016年10月10日 (現地時間) に掲載されます。
プレスリリースの図1 : TEDの分子構造
図2 : TED自立膜の電気抵抗温度依存性
挿入図は金4端子が装着された自立膜
図3 : 紫外光電子分光法による
TEDの状態密度
