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高分子・バイオ材料研究センター
分子性イオンを利用した有機・無機複合材料の電子構造設計
有機・無機複合材料, 分子性イオン, バンド構造, 光電物性
概要
MOFやハライドペロブスカイトなどの有機・無機複合物質は、多孔性、プロセス性、柔軟性のような分子設計性に由来する優れた特徴を持ち、次世代機能性材料として期待されている。
これらの複合物質の特性をデバイス材料として引き出す際、特に重要になってくるのが光電子物性であり、その制御にはエネルギーバンド構造の精密な設計が不可欠である。しかし、その方法論はいまだ発展途上にあり、中でも有機分子に特徴的な局在性の電子状態と、無機物質に特徴的な分散性バンドをフロンティアレベルで掛け合わせる手法は未開拓である。
当研究者はこのような課題に対し、分子性イオンを単なる結晶構造の構成要素ではなく、フロンティア電子構造を能動的に設計するための「電子構造ユニット」として利用する研究を進めている。
新規性・独創性
● 局在性分子軌道と分散性無機バンドをフロンティアレベルで融合
● 分子性イオンを「電子構造ユニット」として活用
● 分子軌道のエネルギー・対称性・トポロジーをバンド設計に利用
● 局在性と分散性を併せ持つ新しいハイブリッド半導体を創製
内容
鉛ハライドペロブスカイトの無機骨格を拡張して電子受容性の有機分子を導入することで、有機分子の局在性軌道からなる伝導帯と、鉛ハライド骨格の分散性軌道からなる価電子帯をフロンティアレベルで共存させることに成功した。これにより、電子と正孔がそれぞれ有機・無機成分に異なる性質をもって存在する、従来のハライドペロブスカイトにはないバンド構造を実現した。
分子性アニオンの設計によってPb(II) の配位構造を制御し、無機成分由来のPb 6s軌道の等方性を保ちながら、分子軌道との相互作用を選択的に引き出すことで、広いバンドギャップと分散性の高い価電子帯を両立できることを示した。 この研究では、分子軌道のエネルギーだけでなく、その軌道対称性とトポロジーが固体のバンド構造を決定する重要な設計因子となることも明らかになった。
まとめ
● 局在性分子軌道と分散性無機バンドを組み合わせ、新しい電子構造を創出
● 分子のエネルギー・軌道対称性・配位様式を利用してバンド構造を制御
● 有機・無機複合物質の自在なバンド設計を可能にする材料化学を開拓
