Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

単分子接合 / 電気伝導度 / 熱起電力 / ブレイクジャンクション / 単分子 / 輸送特性 / 力学応答 / プローブ顕微鏡

単分子接合は、単分子素子としての応用や有機ELなどの有機電子デバイスにおける金属―分子界面のモデル系、そして金属と単分子が複合した新物質として注目を集めている。これまで多様な単分子接合が研究され、スイッチ、ダイオードなどの単分子接合に特有な物性の可変性に基づいた機能発現が報告されてきた。単分子接合では界面構造や分子配座が可逆的に変化し、電子状態、電気輸送特性、熱電特性などの物性が可変的な力学応答性を示す。本年度は、機械的に分子配向や分子－金属間の界面構造を変化させることで、単分子接合の熱電能の機械的変調性について調べた。単分子接合のゼーベック係数はフェルミ準位における単分子接合の電子透過率のエネルギー微分に比例するため、単分子接合の透過率と同様に、熱電能も分子の配向や分子－金属間の界面構造によって大きく変化することが期待される。
本年度は、前年度に引き続きブレイクジャンクション法により金電極間に作製した単分子接合に温度勾配を与え、機械的な外力を加えながら熱起電力を計測し、単分子接合のゼーベック係数を求めた。フラーレン(C60)と4,4’-ビピリジン(BPY)に加えて、これまでの研究から単分子接合の電子状態が良く知られている、1,4-ベンゼンジアミン（BDA）をターゲット分子として用いた。機械的外力により電極間距離を短くするにつれ、分子－金属界面の構造変化を反映して、ゼーベック係数の絶対値はBPY、BDAでは減少し、C60では増加した。観察されたゼーベック係数の外力応答性の起源を解明するために、非平衡グリーン関数法を用いて、各単分子接合について応力印加時の透過関数とゼーベック係数を決定した。その結果、機械的に誘起される分子軌道のエネルギーシフトに応じて、単分子接合のゼーベック係数が変化し、単分子接合の熱起電力が変調されることを理論的に確認した。

地球中心核 / 輸送特性 / 高温高圧実験 / 二次イオン質量分析法 / 鉄 / 熱伝導率 / 電気抵抗率 / 自己拡散係数 / ダイヤモンドアンビルセル / 鉄合金 / 電気伝導度 / SIMS

高温高圧環境の地球中心から地表へと向かう大きな熱流は外核とマントルの対流を誘起することにより、約40億年続くとされる地球ダイナモやプレート運動などのダイナミクスの原動力となる。熱伝導率や電気伝導度、粘性率などの輸送特性は地球内部の温度構造と熱進化、ダイナミクスを探るための基礎的な物理量だが、地球中心核の温度圧力条件での測定例は極めて少なく、その報告値には研究グループ間で大きな差異が生じている。
本研究の目的は、地球の核を構成する鉄ー軽元素合金の液体、固体状態での熱輸送特性を実際の地球中心核の温度圧力条件における実験から制約することである。実験で得られる核構成物質の電気・熱伝導率、自己拡散係数から外核・内核の伝導と対流による熱輸送特性を明らかにし、初期地球温度とその冷却過程、内核の誕生時期とダイナミクスなどの地球の熱進化に制約を与えることを目指す。本課題の3本の柱は、1)放射光X線回折(XRD)測定実験によって選択配向評価を行った多結晶体hcp鉄(および鉄合金)の高温高圧下その場電気・熱伝導率同時測定、2)二次イオン質量分析法(SIMS)を用いた鉄同位体比測定による、hcp鉄の高温高圧下自己拡散係数決定、3)サファイアカプセル封入法による鉄(および鉄合金)の溶融状態での伝導度測定である。これら3つのテーマを代表者、分担者、指導学生の計5名が主体的に取り組んだ。1)のテーマについては、六方最密充填構造の鉄の熱伝導率測定を180万気圧、3000ケルビンの条件まで測定することに成功した。2)のテーマでは、技術開発が完了し、高圧鉄試料内部の同位体比の測定を50万気圧までおこなった。3)のテーマでは、提案時とは異なる実験手法を新たに導入することで、当初の目標である地球コア条件での液体鉄の電気抵抗率の測定が実現した。すべての結果を投稿論文としてまとめている。

【研究分担者】
伊藤正一	京都大学	理学研究科	准教授	(Kakenデータベース)