固体表面上の単分子層反応を利用する超構造の設計とその評価

適度に冷却したのグラフファイトの劈開面に平面性または鎖状の有機物を蒸着すると、平らに配向した分子が並んだ単分子層(厚さ4Å)が得られる。しかし、これは昇温により分子の脱離や島状構造への転移が起こりやすい、不安定な「素構造」である。蒸着単分子層において分子を新たな化学結合で結びつけて有機単原子層(1・2次元超構造)に変換し、さらにその積層により層状有機新物質(3次元超構造)を構築することを目指し、今年度は、以下の研究を行った。1 単分子層の全分子を協奏的に動かして同一平面内で1次元的または2次元的に結ぶ化学的分子操作である「表面topochemical反応」の概念を提案し、この反応が適用可能な成膜分子として1,15,17,31-dotriacontatetrayne(DTTY)を選択した。ペニングイオン化電子分光(PIES)を用いて、試料の価電子構造と分子配向をプローブすることにより、DTTY単分子層の形成、単分子層内光重合の過程、超構造の生成をin situでかつ非破壊的に観測することができた。すなわち、DTTY分子が炭素骨格平面を基板表面に平行に保ちながら3重結合の組替えを起こし、平行に並んだアルキル鎖がそれと交互に交差するポリジアセチレン鎖とポリアセチレン鎖とで架橋された織物状巨大分子の単一層(atomic cloth)が形成されることを確認した。また、STMによるatomic cloth構造の直接観察も進めている。2 表面topochemical反応を適用できる分子には厳しい制約があるので、水素結合による分子の自己組織化現象を利用して平面性分子の2次元ネットワークを構築することを考えた。その第一段階として、直線的に繋がったテープ状構造を形成し得る成膜分子の設計・合成を行った。

適度に冷却したのグラフファイトの劈開面に平面性または鎖状の有機物を蒸着すると、平らに配向した分子が並んだ単分子層(厚さ4Å)が得られる。しかし、これは昇温により分子の脱離や島状構造への転移が起こりやすい、不安定な「素構造」である。蒸着単分子層において分子を新たな化学結合で結びつけて有機単原子層(1・2次元超構造)に変換し、さらにその積層により層状有機新物質(3次元超構造)を構築することを目指し、今年度は、以下の研究を行った。1 単分子層の全分子を協奏的に動かして同一平面内で1次元的または2次元的に結ぶ化学的分子操作である「表面topochemical反応」の概念を提案し、この反応が適用可能な成膜分子として1,15,17,31-dotriacontatetrayne(DTTY)を選択した。ペニングイオン化電子分光(PIES)を用いて、試料の価電子構造と分子配向をプローブすることにより、DTTY単分子層の形成、単分子層内光重合の過程、超構造の生成をin situでかつ非破壊的に観測することができた。すなわち、DTTY分子が炭素骨格平面を基板表面に平行に保ちながら3重結合の組替えを起こし、平行に並んだアルキル鎖がそれと交互に交差するポリジアセチレン鎖とポリアセチレン鎖とで架橋された織物状巨大分子の単一層(atomic cloth)が形成されることを確認した。また、STMによるatomic cloth構造の直接観察も進めている。2 表面topochemical反応を適用できる分子には厳しい制約があるので、水素結合による分子の自己組織化現象を利用して平面性分子の2次元ネットワークを構築することを考えた。その第一段階として、直線的に繋がったテープ状構造を形成し得る成膜分子の設計・合成を行った。