単⼀分⼦接合で熱電能を機械的に制御 −π拡張ヘリセン分⼦による熱電変換の新しい設計指針−

2026-04-27 東京科学大学

東京科学大学の研究チームは、らせん構造を持つπ拡張ヘリセン分子を用いた単一分子接合において、電気伝導性と熱電能を機械的操作で制御できることを実証した。金電極とπ電子の多点相互作用により安定な接合を形成し、ブレークジャンクション法で測定した結果、分子を圧縮すると電子輸送特性が変化し、ゼーベック係数は最大−44 μV/Kに達した。これは従来の有機分子より高い値であり、分子構造の変形による熱電特性制御を初めて実験的に示した成果である。本研究は、分子1個レベルでのエネルギー変換制御という新たな設計指針を提示し、ナノ電子デバイスや超小型熱電素子の実現に貢献する。

単⼀分⼦接合で熱電能を機械的に制御 −π拡張ヘリセン分⼦による熱電変換の新しい設計指針−
図1. (a)本研究で設計したπ拡張ヘリセン分子の基本骨格。(b)実験系の模式図。(c)熱起電力測定より明らかになった圧縮変形に伴う熱電能(ゼーベック係数:s )の変化。

<関連情報>

部分的にπ電子が露出した3Dカルボヘリセンを用いた、単分子接合におけるコンダクタンスと熱電能の機械的調整 Partially π-exposed 3D carbohelicene for mechanical tuning of conductance and thermopower in single-molecule junctions

Shintaro Fujii,Futo Morita,Kanato Takahashi,Juntaro Nogami,Yuko Kishida,Haruki Goto,Ryota Shimizu,Tomoaki Nishino,Hidehiro Uekusa & Ken Tanaka
Nature Communications  Published:27 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-71293-3

Abstract

Helicenes, composed of ortho-fused benzene rings, possess a spring-like π-backbone, enabling electron delocalization through both bonds and space. Theoretical predictions suggest that mechanical stretching or compression of molecular junctions in higher-order diazahelicenes could increase conductance and thermopower. However, this theory has not been experimentally verified, likely due to the difficulty of forming robust higher-order helicene molecular junctions using existing heteroatom anchors and the high electrical resistance of metal–heteroatom bonds. Thus, constructing mechanically stable single-molecule junctions through multipoint metal–π interactions would be ideal. Here we verify this theory using a 3D carbohelicene with a shielded π-face bearing bulky tert-butyl groups and an exposed π-face lacking tert-butyl groups. This partially π-exposed 3D carbohelicene forms a robust monolayer on the Au(111) substrate at room temperature through multipoint metal–π interactions. Using the break-junction technique, we demonstrate a compression-induced increase in both peak conductance (10–3–10–2 G0) and thermopower (−44 μV/K).

0403電子応用
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