東北大学は、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、その詳細な解析に成功したと発表した。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電子受容性が高く、電子輸送材料として利用されている。
筑波大学 数理物質系の山田洋一講師、量子科学技術研究開発機構の境誠司上席研究員、東北大学の權垠相准教授、イデア・インターナショナルの笠間泰彦らが成功。研究成果は、『Carbon誌』電子版に掲載された。
リチウム内包フラーレンは、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、その物性を解き明かすカギとなる電子状態はこれまで明らかにされていなかった。研究グループによると、材料としての機能解析のため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からだという。
今回の研究では、この内包フラーレンをフッ素やリンと結合した「塩」の形（Li+@C60[PF6-]）で真空中に昇華させることで、金属表面上に内包フラーレンを直接吸着させて単原子層膜を形成し、走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて個々の分子を直接観察することに初めて成功した。
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、リチウムがイオンとして内包されていることから、電子移動度など、デバイス特性を左右する指標の一つである電子受容性に優れていることや、印加する電圧により電荷を制御できることも分かった。このようなリチウム内包フラーレンの詳細な電子状態の解明は、これを利用した高機能な有機エレクトロニクスデバイス実現の礎となるものだと研究グループは説明する。