Establishment of a novel carrier doping method for molecular crystals and precise electronic state control

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【研究目的】本研究では、イオン交換機能を利用したキャリア量制御法の開発を目指す。対象物質として、クラウンエーテルによって形成されるイオンチャネル構造と、局在電子系を形成する[Ni(dmit)2]が共存した結晶Li2([18]crown-6)3[Ni(dmit)2]2 (Li塩)を用いる。このLi塩を金属イオンが含まれた水溶液中に浸すと、結晶内のLi＋と水溶液中の金属イオンが交換される。この機能を利用してCa2＋イオンと電子受容性のCu2＋イオンを同時に交換することで、結晶に注入するキャリア量の制御を行う。【実施計画と成果】本年度は、Ca2+イオン交換後の結晶に対する単結晶X線構造解析やイオン交換機構の検討及び、Ca2+イオンとCu2+イオンの同時交換とその元素分析・電気伝導性評価を目指した。まず、Li塩をCa2+イオンを含む水溶液中に浸したイオン交換後の結晶（Ca塩）について単結晶X線構造解析を行った。その結果、Ca塩の超分子カチオンユニット中のクラウンエーテルの数は、Li塩に比べて減少しており、このイオン交換ではLi+イオンだけでなく結晶中のクラウンエーテルも水溶液中へ放出されることが明らかになった。また、Ca2+イオンと等量程度のクラウンエーテルが含まれた水溶液中にLi塩を浸してもイオン交換は進行しないことから、水溶液中の過剰なクラウンエーテルがイオン交換に影響を及ぼすことを明らかにした。次いで、Ca2+イオンとCu2+イオンの濃度比を調製した水溶液を用いてイオン交換を行った。この際、結晶中にCa2+イオンとCu2+イオンが同時に導入されることで、結晶中のキャリア量を制御できる。実際に交換を行った試料に対してEPMA測定を行った結果、両イオンが結晶中に導入されることが明らかになった。さらに、交換後の結晶の室温抵抗率は、Li塩に比べて6桁も低下することを確認した。