理研、分子と陽イオンの相互作用を利用し光スイッチ分子の均一膜を形成

理化学研究所(理研)は10月30日、光スイッチ機能が注目されているジアリールエテン分子を銅表面上に均一膜として形成することに成功し、膜の形成メカニズムを解明したと発表した。

同成果は、同所 Kim表面界面科学研究室の清水智子元研究員(現 物質・材料研究機構 主任研究員)、鄭載勲国際特別研究員、今田裕特別研究員、金有洙准主任研究員らによるもの。詳細は、ドイツの科学雑誌「Angewandte Chemie International Edition」のオンライン版に掲載された。

有機物質を用いたデバイスには、すでに実用化されている有機ELの他、有機FET(電界効果トランジスタ)や有機太陽電池などがある。また、有機物質を用いたメモリは研究段階にあるが、無機物質では超えられないとされている1平方インチ当たり1Tビット(1Tbit/1in²)以上の高密度メモリが作れる可能性を秘めている。有機メモリを実現するためには、スイッチング機能を持った有機分子を、銅表面などの固体基板に均一かつ密に並べる必要がある。しかし、有機分子の構造は複雑なため、分子同士の相互作用だけで自己組織化現象により分子を整列させ、基盤の表面上に均一膜を形成することは困難な場合がほとんどである。

研究グループは、光スイッチ機能を持つ有機分子のジアリールエテン分子を、銅表面に均一かつ密に整列しようと試みた。しかし、ジアリールエテン分子だけでは分子同士の相互作用がうまく働かず、銅表面に整列させることはできなかった。そこで、ジアリールエテン分子が電子を引っ張りやすい性質を持つフッ素を含むことに着目し、塩化ナトリウムを蒸着させた銅基板にジアリールエテン分子を蒸着し加熱した。これにより、ナトリウム陽イオンが糊の役割を果たすことで、銅表面に列構造を持つジアリールエテン分子の単分子膜が形成できたという。さらに、走査型トンネル顕微鏡(STM)を用い原子レベルで観測した膜の構造と電子状態の詳細なデータについて、分子や結晶の性質をシミュレーションによって明らかにできる第一原理計算で解析して、分子吸着構造や性質を明らかにし、膜の形成メカニズムを解明したとしている。

今後、有機メモリの実用化に向け、さまざまな分子や固体基板で試行錯誤が行われると予想されるが、今回の膜形成の鍵となった、イオンと分子双極子の相互作用を利用できるよう分子を合成したり、塩化ナトリウムを蒸着させたりするという簡便な方法は、表面構造の製作技術の応用範囲を拡げるものになると期待できるとコメントしている。