IMS、究極の接合構造を有する高分子材料の合成と電荷分離機構を解明

分子科学研究所(IMS)は、電子を与えるドナーと電子の受け手であるアクセプターからなる高分子を用いて、πカラム構造が周期的に繋がった接合システムを開拓し、超高速光誘起電子移動および長寿命電荷分離状態の実現に成功したと発表した。

同成果は、IMS 江東林准教授らによるもの。詳細は、独化学会が発行する化学領域の学術的科学誌「Angewandte Chemie International Edition」オンライン版に掲載され、インサイトカバーにハイライトされた。

光を電気に変換するには、電子ドナーとアクセプターの界面において電荷分離状態をつくり出すことがキーポイントとなるが、一度分離したプラスとマイナスの電荷は強い電気的引力のために容易に会合し、生じた電荷分離状態がすぐに消滅してしまう。この電気的引力を打ち消すために、これまで、自己組織化や液晶などさまざまなアプローチが検討されてきたものの、周期的な分子構造をもたないため、デバイスへの展開には適さないという課題があった。

研究グループは、積層することによって一次元の微細な穴を有する多孔性有機構造体を形成する二次元高分子の合成と機能開拓の研究を行ってきており、これまでに二次元高分子にπ電子系を導入することで、新しいπ電子系二次元高分子の合成を実現してきたほか、最近では、二次元高分子を用いて光捕集機能、ホールや電子伝導機能、光伝導機能、ガス吸着機能などを見いだし、従来の高分子にはない特異な機能を開拓してきた。

今回、研究グループは、二次元高分子の構築に電子ドナーとしてフタロシアニン誘導体、電子アクセプターとしてナフタレンジイミドを用いて、縮重合反応により電子ドナーとアクセプターからなる二次元高分子を高収率で得ることに成功した。この二次元高分子は250～1100nmまでの幅広い領域の太陽光を吸収することができるという。

図1がその様子だが、電子ドナーとアクセプターユニットが規則正しく連結し、四角形の細孔を形成しながら二次元高分子を形成していることが見て取れる。二次元高分子はさらに積層することで、ドナーとアクセプターのカラム構造を形成するため、二次元平面内における周期構造は積層することで縦方向に拡張され、ドナーとアクセプターの二相が連続して周期的に繋がった究極の接合システムをつくり出すこととなる。

電子ドナーからアクセプターへの光誘起電子移動反応を引き起こすには、ドナーとアクセプターを数nmという近距離に置く必要があるが、今回の二次元高分子では、ドナーとアクセプターのカラム間では必ず接合界面ができ、電荷分離を効率よく引き起こすとともに、電荷分離状態を長く保つ分子の仕組みが出来上がっているという。

種々の時間分解測定手法を用いて、その電荷分離過程を解明した結果、電荷分離が高速で生じ、光吸収から電子移動、電荷分離までの諸過程は1.4psで完了することが判明した。電子移動で生じたホールと電子はドナーとアクセプターのカラムを長距離移動することができ、溶液中では10μsの電荷分離状態を維持することができたほか、固体状態でも効率的に電荷分離することができ、1.8μsの長寿命を示すことが確認された。

今回合成された二次元高分子は、電子ドナーとアクセプターが隣接し、光励起電子移動を引き起こせる空間距離に配置されているが、電子ドナーのみからなる二次元高分子や秩序構造を持たないドナーとアクセプターの混合系では電荷分離は示さないことが確認されたことから、電子ドナーとアクセプターを二次元高分子という特異な分子構造で制御することで、電荷分離が起きるドナー・アクセプター界面の面積を最大にし、最大限の光電変換を起こせるような周期構造のデザインが可能になったことが実験的に示されたと研究グループでは説明している。

なお、今回開発された周期的なπカラム接合構造は、超高速電荷分離を可能にし、かつ長寿命の電荷分離状態を実現することができたことから、研究グループではナノオーダーで接合構造が完全に制御されたデバイスが次世代光電変換システム開拓の中核をなすものになるとの考えを示しており、検討を進めていくとコメントしている。