超分子型フラーレン/グラフェンナノハイブリッドの創製とその光電子機能応用

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本研究課題では、長鎖アルキル基を導入したフラーレン誘導体とナノカーボン材料とのハイブリッド材料の創製および光電変換素子開発に関して主に取り組んだ。フラーレンのカウンターパートとなるナノカーボン材料には、単層カーボンナノチューブやグラフェンを採用した。ナノカーボンを素材とする理由は、様々な有用な光・電子機能性物質でありながら、有機と無機の機能性を両方保持しており、軽量、機械的強度に優れている、化学安定性が比較的高いなど、次世代の有機エレクトロニクスまたはプリンタブルテクノロジーへ対応できる素材開発の可能性を秘めているからである。研究代表者はこれまでに、フラーレンに長鎖アルキル基を導入し、フラーレン間とアルキル鎖間の相互作用を巧みに制御することで様々な形状、形態のフラーレン自己組織化構造材料を創製してきた。その中で、このフラーレン誘導体がグラファイト(高配向焼結グラファイト)の表面格子上に高い親和性を示すことを見出していた。この結果を基に、研究分担者と共にグラファイトに表面に代えて、同じ炭素二次元骨格を持つカーボンナノチューブやグラフェンを素材として、フラーレン誘導体との相互作用を利用したナノカーボンハイブリッド材料の創製に取り組むこととした。具体的には、三つの系に取り組んだ。1)フラーレン/カーボンナノチューブ複合体組織構造を利用したカーボンナノチューブNIR発熱効果の温度指示体の創製、2)フラーレン/カーボンナノチューブ複合体組織膜による光電変換素子開発およびFETナノデバイス評価、3)フラーレン/グラフェン複合体組織膜による光電変換素子開発。特に2)は論文として発表するに至り、3)に関しては、全ての実験は終了し、現在論文執筆中である。いずれの系においても、良好な光応答性の光電変換素子となっており、ハイブリッド材料創製および電極上固定化の最適化実験が期待通り性能発現に寄与したこと分かった。光電流発光効率を比較すると、フラーレン誘導体のみを基準にカーボンナノチューブ系で約160倍、グラフェン系で約260倍の増加を達成することに成功した。IPCEとしては、カーボンナノチューブ系で約5%、グラフェン系でさらに電子ドナー性のP3HT混合で約15%まで向上させることに成功した。したがって、本研究結果より、光電変換素子開発むけたナノカーボンハイブリッド材料の有用性を十分に示すことができたと考えている。