立命大ら,ナノ結晶表面の有機分子を光で可逆的脱離

立命館大学,京都大学,分子科学研究所は,半導体ナノ結晶表面に機能性有機分子を配位した複合ナノ材料において,可視光線を照射することで有機分子が脱離し,その後数秒以上かけて再度表面に配位する現象を発見,解明した(ニュースリリース)。

半導体ナノ結晶はその特徴的な光電子特性により,近年,太陽電池やディスプレー,光触媒など,さまざまな光機能材料への応用研究が盛んに行なわれている。ナノ結晶表面の有機配位子は,ナノ結晶の分散性,触媒活性,電気伝導性,発光特性を決める重要な因子であり,これまでさまざまな有機配位子とナノ結晶からなる複合ナノ材料が報告されてきた。

その一方,ナノ結晶の研究は開発以来40年以上続いているにもかかわらず,これまでの研究では,光励起過程において有機配位子が安定にナノ結晶に配位していると暗黙に仮定され,その詳細はわかっていなかった。

今回研究グループは,機能性有機分子であるペリレンビスイミド(PBI)を配位子とし,硫化亜鉛(ZnS)ナノ結晶に配位させた複合ナノ材料(PBI-ZnS)をモデル物質として合成し,その光励起状態の詳細をさまざまなレーザー分光計測や量子化学計算によって解析した。

その結果,可視光線でPBIを励起すると超高速電子移動が起き,PBIがナノ結晶表面から脱離することを初めて明らかにした。さらに,脱離したPBIとZnSナノ結晶は数秒以上のきわめて長寿命の電荷分離状態を形成し,その後再度ナノ結晶に配位することも明らかにした。

この研究は,有機無機複合ナノ材料研究においてこれまで見過ごされてきた根幹的な現象を見出したものであり,ナノ材料化学や光化学分野において重要な知見であるとする。

それだけでなく,ナノ結晶表面の有機配位子はナノ結晶の分散性,触媒活性,電気伝導性,発光特性などのさまざまな機能を決めることから,研究グループは,光で分散性,触媒活性,発光特性などを制御できる光触媒や,ナノ結晶フィルムの導電性回路の微細パターニングなど,新しい光機能材料の開発に応用されることが期待されるとしている。

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