東大など、「交互積層型電荷移動錯体」の高伝導化を実現することに成功

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東京大学(東大)、分子科学研究所(分子研)、岡山理科大学、高輝度光科学研究センター(JASRI)、科学技術振興機構(JST)の5者は4月17日、電子の豊富なドナー分子と電子の不足したアクセプター分子からなる「交互積層型電荷移動錯体」(以下、「ALCTC」と省略)は、電荷輸送に携わる実効的なキャリアが少ないために電気が流れにくいとされていたが、分子軌道に着目した新しい設計により同錯体の高伝導化に成功、一次元単結晶において室温・常圧で最高の伝導度を達成したことを発表した。

同成果は、東大 物性研究所の藤野智子助教(JSTさきがけ研究者)、同・森初果教授、東大大学院 新領域創成科学研究科の岡本博教授、同・有馬孝尚教授、分子研の中村敏和チームリーダー、岡山理科大の山本薫教授、JASRIの中村唯我研究員らの共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

有機伝導体の次世代材料として期待されるのが、電子の豊富なドナー分子と電子の不足したアクセプター分子とで形成される電荷移動錯体。同錯体は大別して2種類あり、そのうちのドナーとアクセプターが交互に積層した「交互積層型」は比較的容易に得られやすいにも関わらず、高い伝導性を含む錯体を長らく実現できずにいたという。

伝導性が低い原因は、ドナーからアクセプターへの電荷移動量δが0～0.4の中性領域、または0.75よりも大きいイオン性領域にあることで、電荷輸送に携わる実効的なキャリアが少ないためと考えられている。つまり、中性-イオン性の境界領域にある電荷移動錯体を合成できれば電気がよく流れる可能性がある。

そうした中、研究チームが近年開発した、電子の豊富なドナー分子「ドープ型ポリ(PEDOT)」(3,4-エチレンジオキシチオフェン)のオリゴマーモデルの最短の二量体およびその酸素/硫黄原子置換体が、電子不足な「フッ素置換テトラシアノキノジメタン類」対し、中性-イオン性の境界領域の錯体を構築するのに理想的な電子構造を持っていることが確認されたとする。

δの境界領域を実現するには、ドナーの最高占有分子軌道(HOMO)とアクセプターの最低非占有分子軌道(LUMO)の間での小さなエネルギー差を持つことが必須と予想されている。2O/2SドナーとF4/F2アクセプターの組み合わせは、そのような条件をよく満たし、さらに電荷移動後の分子軌道形態の対称性もよく一致しており、両軌道が強く混成した良導性のキャリアの伝導経路の実現が期待されていた。そこで今回の研究では、ドナー2Oと新規合成した2S、アクセプターF4とF2を用いて、電荷移動錯体単結晶を開発することにしたという。