한 유형의 분자로 구성된 결정의 로투스 바카라 특성 증명

연구원 타나카 토시 (Tanaka Toshi) 및 나노 기술 연구 부서, 요코야마 히로 로키 (Yokoyama Hiroyuki), 국립 고급 산업 과학 기술 연구소 (이하 "AIST"), 나노 기술 연구 부서장 인 Yokoyama Hiroyuki (Yokoyama hiroyuki), Tokyo의 국립 ASTIOT (AIST) ", KOBAHI의"AIST ") 과학 대학원 (이하 "도쿄 대학교 (University of University, University)", 과학 대학원 (이하 "도쿄 대학교 (University of Tokyo of University, University)", 자연 과학 연구소의 코바 야시 하야로 (Kobayashi Hayō) 교수 (이하 Molecular Science) (이하 Molecular Science)로 언급 된 연구소의 코바야시 하야 (Kobayashi Hayō) 과학 ") 및 자연 과학 연구소의 코바 야시 하야 (Kobayashi Hayō) 교수 (이하는 분자 과학 연구소 (이하"분자 과학 ") (이하"분자 과학 "이라고 불림), 연구 그룹의 AIS Shoji Tamio, 미국 플로리다 주립 대학의 AIST Computational Science Division, 미국 플로리다 주립 대학교의 AIST Computational Science Division ("분자 과학 "이라고 함)James S Brooks교수와 단일 분자 로투스 바카라자기 양자 진동Fermi Face의 관찰 성공적이었으며, 세계에서 처음으로 단일 유형의 분자로 구성된 결정의 로투스 바카라 특성을 입증했습니다

이 연구는 일본 과학 기술 기관 (Okimura Noriki 회장), 과학 및 기술 프로모션 조정 기금 (사무실 용어를 갖춘 젊은 연구자 지원), 과학 및 기술 연구 및 과학 연구 및 협력부, 및 협력, 협력, 및 과학 및 협력부, 과학 및 기술 및 협력부의 협력과 지원으로 AIST에 의해 수행되었습니다 도쿄와 분자 연구소

이 결과는 American Chemical Society에서 발행 한 전문 저널입니다미국 화학 학회지 저널잡지의 9 월 1 일 호에 게시 됨

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나프탈렌 및 플라스틱과 같은 분자로 만든 유기 물질로 전기를 전달할 수 있습니까? 이러한 연구는 이미 1950 년대에 수행되었습니다방향족 탄화수소에 할로겐을 첨가하여 처음보고되었으며 1970 년대 최초의 1 차원 유기 분자 로투스 바카라과 1980 년대 최초의 유기 초전도체 또한 전도성 중합체도 1970 년대 후반에 발견되었고 유기물과 유기분자 결정전복되었습니다 요즘에는 기존의 원소 로투스 바카라이 우리 주변의 많은 물체로 대체되었으며 전도성 중합체가 사용됩니다 그러나, 재료 개발의 이러한 발전에도 불구하고, "한 유형의 분자로 구성된 결정의 로투스 바카라 특성"이라는 제목은 수년 동안 실현되지 않았다

일반적으로, 전기를 전형적인 절연체 인 유기 화합물로 전달하는 담체를 생성하기 위해, 도핑 (전하 전달이라고도 함) 및 소위 전도성 중합체는 전형적인 예이다 도핑을 통해 전기를 전도하는 반도체는 쉽게 실현 될 수 있지만 로투스 바카라으로 더 쉽게 진행하는 것은 쉽지 않습니다 예를 들어, 유기 초전도체와 같은 두 가지 유형의 분자 또는 이온 (d, a)으로 구성된 분자 도체 결정에서, 로투스 바카라성 특성은 분자 (이온) D D D D D D D D 분자 (이온) A (전하 전달 또는 부분 산화)로 전하의 일부를 전달함으로써 달성된다

이러한 방식으로, 분자 도체에서 전도성 담체를 생성하기 위해서, 2 가지 이상의 유형의 분자로 구성된 결정이 필요하다고 생각되었다 그렇다면 단일 종의 분자로 구성된 단일 분자 결정을 사용하여 로투스 바카라을 실현하는 것이 불가능합니까? 이것을 불가능하게 만드는 것은 화학자들이 오랫동안 쫓아 온 꿈이었습니다

최근 몇 년 동안 코바 야시 아키코 (Kobayashi Akiko) 교수 (도쿄 대학교 대학원 과학)와 코바 야시 하야 (Kobayashi Hayō) 교수 및 다른 사람들은 단일 분자가 로투스 바카라 결정을 자기 조립하고 생산할 수있는 가능성을 조사했으며, 단일 분자 로투스 바카라을 실현하기 위해 다음 분자 설계 지침을 제안했습니다 1)밴드폭을 넓히고 로투스 바카라 상태를 안정화시키기 위해 소형 분자 배열을 달성합니다 2) 충분한 보장Homo-Lumo Gap작고 결정화되면 Homo 및 Lumo Origin의 밴드가 겹칩니다 특히 2) 로투스 바카라 양쪽디티 올렌 리간드10950_11114공액 시스템상기 궤도의 확장 및 겹침이 비교적 감소되고, 작은 homo-lumo 갭 분자가 실현 될 수있다

[NI (TMDT)₂] (도 1)은 리간드 부분에있다TTF 골격를 갖는 매우 평면 분자이며, 그의 결정 (도 3a)은 전기 중성 분자의 유형으로 구성되었지만 실온에서 매우 작은 전기 저항 (00025 ωcm = 400 s/cm)으로 구성되어 (06 K)까지 안정적인 로투스 바카라 전기 전도도를 나타냅니다h Tanaka, Y Okano, H Kobayashi, W Suzuki, A Kobayashi : Science 2001, 291, 285）。

이 프레젠테이션은 정상적인 조건 (대기압)에서 단일 분자 로투스 바카라의 실현으로 많은 연구자들의 관심을 끌었으며 수많은 논문에서 인용되었습니다 그러나 전자 구조, 캐리어 생성 메커니즘, 전도 메커니즘 등이 반드시 충분하지 않으며 로투스 바카라성 특성에 대한보다 엄격한 증거, 즉 페르미 표면의 존재가 요청되었음을 나타내는 명확한 실험적 증거가 있다고 생각됩니다

그림 2 : 2 개의 리간드 궤도의 약한 상호 작용으로 인한 작은 호모-루모 갭의 형성 및 결정화에 의해 퍼진 상단 및 하부 대역으로 인한 캐리어의 형성

○ 및 ● 분자 구조 다이어그램에서 궤도의 확산을 개략적으로 보여줍니다 그림의 오른쪽에있는 두 개의 사각형은 또한 Homo와 Lumo가 생성 한 에너지 밴드를 보여 주며 회색 영역에 전자가 포장되어 있습니다 다시 말해,이 그림에서, 전자는 대부분의 호모 밴드와 루모 대역의 일부에 포장되며, 두 밴드 내에 전자 분포의 경계 표면 (페르미 표면)이 있습니다

그림 3 [NI (TMDT)2]의 결정 구조 (a), 밴드 구조 (b) 및 (b)는도 1의 오른쪽 이미지 형식으로 표현된다 2 (c)

(b) 밴드 구조 다이어그램, x, γ, y 등의 수평 축에서 파수 공간 내의 위치를 ​​나타내고 수직 축은 해당 위치의 에너지를 나타냅니다 충전 벨트는 파란색으로 표시되며 전도 벨트는 빨간색으로 표시됩니다 전자는 페르미 레벨 (점선, 회색 영역의 상단 가장자리)에 포장되고, 원자가 밴드의 상단 부분과 전도 대역의 하단은 페르미 레벨과 교차합니다

13412_13545전국 고성장 실험실)와의 협력에 대한 실적이 있습니다

이 연구 주제, 즉 단일 분자 결정의 로투스 바카라 특성을 직접 입증하는이 연구 주제는 2002 년 4 월에 분자 연구 연구소 Kobayashi 그룹에서 분자 나노 공학 연구 부서로 전달 된 2002 년 4 월에 본격적으로 시작되었다

로투스 바카라의 가장 엄격한 정의는 페르미 표면 (페르미 레벨)의 존재이며,이를 관찰하기위한 전형적인 실험 수단 중 하나는 자기 양자 진동입니다 예를 들어, 자기장의 증가와 함께 자화율이 주기적으로 변화하는 자기 양자 진동을 도하 아스-밴-알핀 효과라고하지만,이 진동의 존재는 페르미 표면의 존재에 대한 직접적인 증거이며, 자성장의 방향에 대한 진동주기 및 각도의 의존성을 분석함으로써, fermi 표면의 교차 영역의 크기와 형태는 알 수있다

이러한 이유로 AIST, 과학 기술 대학원, 분자 과학 및 플로리다 주립 대학은 그룹입니다 [NI (TMDT)₂]의 로투스 바카라성을 증명하기 위해, 우리는 자기 양자 진동을 사용하여 페르미 표면을 관찰하려고 시도했다 얻어진 단결정 샘플은 매우 작기 때문에 (이 측정에 사용 된 결정은 130x100x20 µm, 무게가 05 µg 이었기 때문에, 상업적으로 이용 가능한 미세 캔틸레버 (SII 자체 ​​감지 미세 칸 티저)를 사용하여 AFM (Atomic Force Microscope) (도 4A)을 사용하는 방법은 전통적인 방법보다 더 민감한 측정 방법 ()e Ohmichi, T Osada : Rev Sci instrum2002, 73, 3022)가 사용되었습니다

이 실험은 미국 플로리다 탈라 하시의 National High Magnetic Field Experiment 시설에서 세계 최고 정상 자기장 인 45 Tesla를 생성 할 수있는 하이브리드 자석을 사용하여 수행되었습니다 결과적으로, 그것은 세계 최초의 자기 양자 진동 (Dohaas-van-Alphen 효과)에 대한 세계 최초의 성공적인 관찰이었으며, 이는 페르미 표면의 존재를 나타냅니다 (그림 4B) 또한, 자기장의 방향에 따라 극적으로 변화하는 진동 성분의 각도 의존성의 상세한 측정은 다음과 같습니다첫 번째 원칙 계산에서 얻은 페르미 표면의 모양 잘 설명 할 수 있습니다 페르미 표면은도 1에 도시되어있다

위의 결과로부터,이 재료는 3 차원 로투스 바카라 인 것으로 밝혀졌다 이 3D 로투스 바카라 특성은 압도적으로 1 차원 및 2 차원 재료 인 종래의 분자 도체와는 다른 하나의 구성 분자가 있다는 사실의 특징 중 하나입니다

단일 분자 로투스 바카라은 전기 중성 분자의 조립입니다 공유 결합과 같은 분자 간에는 강한 결합이 없지만, 정상적인 반 데르 발스 결정과 달리 분자들 사이의 원자 접촉 거리는 로투스 바카라 결합의 기여로 인해 반 데르 발스 결합의 원자 접촉 거리보다 훨씬 짧다 로투스 바카라 특성의 기원은 매우 작은 호모-루모 갭을 가진 분자는그림 3A와 같은 조밀하고 결정화에 의해 충분히 넓은 전도 대역을 형성하기위한 것입니다

그림 4 : 샘플이 (a)의 하부 다이어그램 (a)의 하부 다이어그램 (a)에 표시된 방향으로 샘플이 고정되고 관찰 된 자기 양자 진동 (b) 자기장에서 (b)에 표시된 바와 같이 진동의 명확한 각도 의존성이 관찰되었다

그림 5 : 실험 및 계산에 기초하여 결정된 Fermi 표면의 닫힌 표면은 각각 전자 및 구멍의 페르미 표면에 해당하며,이 재료는 3 차원 로투스 바카라임을 나타냅니다

이미 세계에 이미 단일 종의 원소로 구성된 로투스 바카라으로 단일 종의 분자로 구성된 분자 로투스 바카라의 실현의 중요성은 무엇입니까? 정상 원소 로투스 바카라의 구조 단위는 원자이지만 분자 도체의 ​​가장 작은 구조 단위는 분자입니다 지구상에 존재하는 요소의 수는 100 이상이지만, 독특한 특징은 분자를 비교적 자유롭게 설계하고 합성 할 수 있으며, 이들의 유형은 무한하다고 말할 수 있다는 것이다 분자 특성 발달은 이러한 무한한 분자의 분자를 재료로 사용하는 물리적 특성의 발달이지만, 다른 한편으로는 원소 로투스 바카라으로 실현 될 수 있지만 분자 결정으로 실현할 수없는 많은 물리적 특성이 여전히 있습니다 이 중 하나는이 물질의 단일 분자 로투스 바카라이지만, 이전에는 불가능하다고 생각한 특정 로투스 바카라 복합 분자를 설계하고 합성함으로써 달성되었습니다 이 연구가 로투스 바카라 특성을 입증했다는 사실은 물질 자체에 대한 관심뿐만 아니라 분자 물리적 특성 개발의 특성을 재확인했다는 점에서도 중요합니다

또한, 단일 분자 로투스 바카라의 미래 가능성은 예를 들어, 유기 용매에 용해되는 기능을 갖는 단일 분자 로투스 바카라을 합성 할 수 있다면 용액을 사용하여 기판 상에 패턴을 그릴 수 있고 전도성 패턴을 완성 할 수 있다는 것이다 이는 분자 배선이 분자 전자 제품 분야에서 현재 가장 필요한 분자 크기의 전자 장치를 연결하는 것을 실현할 수 있음을 의미합니다 기존의 원소 로투스 바카라에서 발견되지 않은 기능을 갖는 이러한 재료의 개발은 분자 특성을 개발하는 목표 중 하나이며, 미래에 새로운 재료 그룹으로 꽃을 피울 연구 분야의 이정표이기도합니다

◆ 자기 양자 진동 (Dohas van alfen 효과)

로투스 바카라 전자의 궤도가 높은 자기장에서 양자화되면, 그들의 에너지는 Landau 레벨이라는 불연속 값을 취하고, 간격은 자기장에 비례하여 증가합니다 따라서, 자기장이 변할 때, Landau 수준은 점차 페르미 수준을 가로 지르며, 결과적으로, 자기장에 의해 다양한 물리적 양이 진동되는 현상을 관찰하고 자기 양자 진동이라고한다 자화의 양자 진동 (자기 토크)은 Dohaas van Alfen (De Haas-van Alphen)이를 효과라고합니다 이러한 진동 현상을 관찰하는 것은 그것이 로투스 바카라이라는 것을 무의미한 증거로 간주되지만 (1) 매우 저온에서 (2) 고품질의 단결정 (3)이 높은 자기장에서 (3)가 거의없는 고품질의 단결정을 측정해야하며,이 세 가지 조건을 충족시키기가 쉽지 않습니다[참조로 돌아 가기]

◆ Fermi Surface, Fermi Level

이것은 결정에 전자가 차지하는 상태가 파수 (운동량) 공간으로 표현 될 때 경계 표면입니다 로투스 바카라에는 바깥에 빈 상태가 있으므로 전자가 자유롭게 움직일 수 있습니다 "페르미 표면을 가진 토양"은 로투스 바카라의 가장 엄격한 정의이며 에너지 수준을 페르미 레벨이라고합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 분자 도체

구조 단위로서 유기 분자를 갖는 전도성 물질은 원래 유기 도체 및 유기 체계라고 불리지만 최근 몇 년 동안 셀레늄 및 텔레늄 및 텔레륨 및 로투스 바카라 복합체와 같은 무거운 chalcogen을 함유하는 분자를 포함하여 종종 분자 로투스 바카라 및 분자 로투스 바카라을 의미합니다 산화물 등[참조로 돌아 가기]

◆ 방향족 탄화수소

벤젠 고리와 융합 된 백본을 갖는 유기 화합물에 대한 일반적인 용어 전형적인 예는 벤젠, 나프탈렌 및 안트라센과 같은 탄화수소 화합물 및 이들의 유도체를 포함하며, 그 중 다수는 방향족 향기가 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 분자 결정, 반 데르 발스 크리스탈

분자는 약한 분자간 힘에 의해 수집되고 결정화됩니다 (Van der Waals Force) 분자간 힘 (van der waals 결합)으로 인한 결합은 약하기 때문에, 나프탈렌과 같은 방향족 탄화수소의 결정은 실온에서 부드럽고 승화되었다[참조로 돌아 가기]

◆ 밴드, 대역폭, 충전 밴드, 전도성 밴드

결정에서 전자의 가능한 에너지 상태는 불연속이지만 결정 구조를 반영하는 특정 폭이 있습니다 밴드와 마찬가지로이 구조는 밴드 구조라고하며 대역폭이 넓을수록 전자가 이동하기가 더 쉽습니다 반도체에서 전자로 채워진 밴드를 풀 밴드라고하며 빈 밴드를 전도 밴드라고하며 전자가 존재하지 않는 두 밴드 사이의 영역을 에너지 간격이라고합니다[참조로 돌아 가기]

◆ homo-lumo gap

분자 궤도 호모 (가장 높은 점유 분자 궤도, 전자가 포장 된 에너지 최대 궤도) 및 루모 (가장 낮은 빈 분자 궤도, 전자가 포장되지 않은 에너지가 낮은 궤도) 사이의 에너지 차이 반도체의 에너지 갭에 해당하는 분자 궤도의 에너지 수준의 개념[참조로 돌아 가기]

◆ Dithiolene Ligand

1,2- 디티 올렌 리간드로도 알려져 있는데, 이는 아래 다이어그램에 표시된 구조를 가지고 있으며, 두 개의 황가 두 개가 로투스 바카라을 조정합니다 이 로투스 바카라 복합체는 리간드 전체에 걸쳐 연장되는 π 궤도 (π 궤도의 분자 평면에 수직으로 연장되는 π 전자 궤도)의 공액 시스템을 갖기 때문에 분자 도체의 ​​재료로서 종종 사용된다[참조로 돌아 가기]

◆ 공액 시스템

전자를 비편성 할 수있는 분자 영역 방향족 탄화수소와 같은 π 궤도를 ​​갖는 분자에서, 전자는 π 궤도를 ​​통해 분자 (한 위치가 아닌 분자를 주위로 이동 함) 예를 들어, 벤젠, 나프탈렌 및 안트라센과 같은 분자에서 1, 2 또는 3 개의 벤젠 고리를 갖는 전자가 점차적으로 비편화 될 수있는 영역 (공액 시스템)[참조로 돌아 가기]

◆ TTF 골격

Tetrathiafulvalen (Tetrathiafulvalene; 아래 다이어그램을 참조하십시오) 분자 내 에서이 구조를 갖는 분자는 우수한 전자 기증 (공여체 특성, 다른 분자 종에 전자를 부여하는 특성)을 나타내므로 분자 도체의 ​​전형적인 재료이다[참조로 돌아 가기]

◆ 첫 번째 원칙 계산

양자 역학과 같은 기본 물리학 원리를 따르는 계산 방법 및 경험적 매개 변수를 사용하지 않고 전자 상태를 계산합니다[참조로 돌아 가기]