筑波大学の山田洋一講師らは、量子科学技術研究開発機構、東北大学、イデア・インターナショナル株式会社らと共同で、次世代材料として期待されるリチウム内包フラーレンの電子状態を分子レベルで直接観察し、その詳細な解析に初めて成功した。

 フラーレンは、炭素原子から成るサッカーボール状の分子で、その内部の空間に様々な原子や分子を包み込むことで(内包フラーレン)、物性を変化させることができると考えられている。本研究グループはこれまでに、リチウムイオンを内包したフラーレンの創成に成功しており、その優れた電子受容性から、有機太陽電池やスーパーキャパシタなどの有機エレクトロニクスデバイスとして応用が期待されているが、そのために必要な電子物性は未だ十分な理解が得られていない。これは、材料としての機能解析に必要な金属基板上での挙動を評価する上で、内包フラーレンを単原子層で制御し、基板上に配列させることが困難であったためだという。

 本研究では、この内包フラーレンをフッ素やリンと結合した「塩」の形で真空中に昇華させ、金属基板へ単原子層で吸着させる方法を見出したことで、個々の分子の観察および電子状態の測定に初めて成功した。さらに、測定された電子状態を理論計算結果と比較することで詳細な解析を行い、内包されたリチウムがほぼ一価の陽イオンの状態でフラーレン内に存在することを明らかにした。また、負の高電圧を印加するとフラーレン中の電荷分布が変化することも発見し、印加する電圧により電荷を制御できる可能性も示した。

 本成果は、リチウム内包フラーレンを利用した次世代有機半導体材料の実用化に道を拓くものだとしている。

論文情報:【Carbon】Electronic structure of Li+@C60: Photoelectron spectroscopy of the Li+@C60[PF6-] salt and STM of the single Li+@C60 molecules on Cu(111)

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