フタロシアニン類縁体薄膜の電気化学バンドフィリング制御

有機伝導体の電気物性を支配する最も重要な要素の一つは伝導分子が担う電荷量であり、この伝導電子が占有する伝導帯のフィリングを制御することで絶縁体から導電体、超電導体まで興味深い電気物性が引き出される。従来の電解法ではドナー・アクセプター分子の比率が異なる錯体を合成することによってバンドの占有率を変調することができるが、任意の占有率に精密制御することはできない。本研究ではリチウムフタロシアニンにおいて電気化学的ドーピングを応用することでバンド占有率の制御に取り組んだ。電気化学ドーピングによるバンドフィリングを実現するには、分子性結晶にカウンターイオンが侵入することで引き起こされる分子集合体の構造不安定性を克服しなければならない。研究対象のリチウムフタロシアニンは結晶格子中に一次元空孔を有するので、電気化学ドーピングによって結晶に侵入するカウンターイオンは空孔に包摂され、その結晶構造が安定であることをX線構造解析により明らかにした。この結晶に含まれるカウンターイオンの濃度は任意のドーピング電位を選ぶことで調節できることから、ドナー分子であるリチウムフタロシアニンの電荷密度を制御できることを示している。現段階では最大でドナー1分子に対して0.5個のカウンターイオンをドープでき、その結晶は未ドープの結晶に比べて室温伝導度が2-3桁高い0.1Scm-1を示した。また、その伝導度の温度依存特性は依然として半導体的であったが、活性化エネルギーは約0.03eVと非常に小さいことが分かった。

有機伝導体の電気物性を支配する最も重要な要素の一つは伝導分子が担う電荷量であり、この伝導電子が占有する伝導帯のフィリングを制御することで絶縁体から導電体、超電導体まで興味深い電気物性が引き出される。従来の電解法ではドナー・アクセプター分子の比率が異なる錯体を合成することによってバンドの占有率を変調することができるが、任意の占有率に精密制御することはできない。本研究ではリチウムフタロシアニンにおいて電気化学的ドーピングを応用することでバンド占有率の制御に取り組んだ。電気化学ドーピングによるバンドフィリングを実現するには、分子性結晶にカウンターイオンが侵入することで引き起こされる分子集合体の構造不安定性を克服しなければならない。研究対象のリチウムフタロシアニンは結晶格子中に一次元空孔を有するので、電気化学ドーピングによって結晶に侵入するカウンターイオンは空孔に包摂され、その結晶構造が安定であることをX線構造解析により明らかにした。この結晶に含まれるカウンターイオンの濃度は任意のドーピング電位を選ぶことで調節できることから、ドナー分子であるリチウムフタロシアニンの電荷密度を制御できることを示している。現段階では最大でドナー1分子に対して0.5個のカウンターイオンをドープでき、その結晶は未ドープの結晶に比べて室温伝導度が2-3桁高い0.1Scm-1を示した。また、その伝導度の温度依存特性は依然として半導体的であったが、活性化エネルギーは約0.03eVと非常に小さいことが分かった。