利用報告書 / User's Reports

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【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.17】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24MS1005

利用課題名 / Title

有機分子の自己組織化に基づく新規有機・無機ハイブリッドナノ構造の構築5

利用した実施機関 / Support Institute

自然科学研究機構 分子科学研究所 / IMS

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed

キーワード / Keywords

量子ドット、ペロブスカイト、ナノ材料,電子顕微鏡/ Electronic microscope


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

増尾 貞弘

所属名 / Affiliation

関西学院大学生命環境学部環境応用化学科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

山内 光陽,山口 哲生,久保 直輝

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

MS-203：電界放出形透過型電子顕微鏡


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

　ナノメートルサイズの半導体ナノ結晶（CsPbBr3やCdSe）は「量子ドット」と呼ばれ、卓越した発光特性や光耐久性を示すなど、光機能性ナノ材料として魅力的な物質である。さらに、複数の量子ドットが集まり配列すると、量子ドット間の相互作用が働くようになり、単独の量子ドットでは示さない新たな光物性が発現する。この優れた特性を利用することにより、既存のデバイス性能を超えた発光ダイオードや太陽電池等の発光・光電子デバイスの創出が期待されている。しかしながら、このような量子ドット間の相互作用に由来する物性は、量子ドットの分散溶液を基板上で自然乾燥させて得られた最密充填構造（超格子）においてのみ観測されている。そのため、超格子のような特異な構造以外においては、「量子ドット配列構造」と「光物性」の相関関係は明らかになっていない。量子ドット配列構造由来の光物性を明らかにするためには、配列を構築・制御する必要がある。しかしながら、量子ドットは、溶液中で高い分散性を示すため、量子ドット間の相互作用のみでは配列構造は形成し難い。これを克服するために、報告者らは最近、有機分子の自発的に集まる性質（自己集合）を量子ドットに組み込むことで、 溶液中で量子ドットを配列させることに成功してきた（参考文献）。このアプローチを基盤にすることで、様々な量子ドット配列構造を構築することができれば、配列構造由来の新たな光物性の解明に繋がることが期待される。そこで本研究では、有機分子の自己集合を駆使することで、量子ドットの配列構造を自在に、そして精密に制御することを目的とした。配列制御に関する本手法が確立すれば、他の金属ナノ粒子、有機ナノ結晶、ポリマー粒子の緻密な配列制御の指針になり、当該量子ドット領域のみならず分子科学領域全体に多大な波及効果をもたらすことが期待できる。

実験 / Experimental

　本研究では、「量子ドットの螺旋状配列構造」、および「量子ドット－有機分子交互配列構造」の構築に取り組んだ。量子ドットとして、球状のCdSe/ZnS量子ドット、およびキューブ状のCsPbBr3ペロブスカイトナノ結晶（PNC）を合成した。また、有機分子として、1次元の螺旋状ファイバー構造の形成が見込まれるコレステロール誘導体（Chol）、および3次元的な集合構造の形成が見込まれるペリレンビスイミド誘導体（PBI）を合成した。有機分子集合体は、低極性溶媒を用いた再沈法により形成させた。得られた有機分子集合体と量子ドットを混合することで、両者の共集合体溶液を作製した。これらの量子ドット、有機分子集合体、共集合体のサイズや形状・構造を、電界放出形透過型電子顕微鏡（TEM: JEOL JEM-2100F）を用いて、200kVの加速電圧で測定することによって評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

・量子ドットの螺旋状配列構造の構築
　コレステロールに自己集合部位と、量子ドットとの吸着部位を導入したCholは、1次元のナノファイバーを形成することをこれまで見出している。さらに、このChol集合体のナノファイバーとCdSe量子ドットを共集合させると、量子ドットの1次元配列構造が構築されることを報告してきた（参考文献）。このCholに導入する自己集合部位の数を変化させると、螺旋状のChol集合体が形成されることをTEM観察により確認した。この螺旋状Chol集合体とCdSe/ZnS量子ドットを共集合させると、Chol集合体に沿って球状のCdSe/ZnS量子ドットが螺旋状に並んだ像が観測され、目的とした量子ドット螺旋状配列構造が構築可能であることが明らかとなった。
 ・量子ドット－有機分子交互配列構造の構築
 　TEM観察より、PBIが形成する集合体の構造（サイズ）は、低極性溶媒中での集合体形成時の成長時間によって変化することを見出した。さらに、各時間におけるPBI集合体に対してPNCを混合したところ、それぞれ異なる共集合構造が確認された。なお、ナノサイズのPBI集合体を用いた際に、目的とした量子ドット－有機分子交互配列構造が得られ、マイクロサイズのPBI集合体を用いた際には、量子ドットと有機分子の相分離構造が得られた。これらの結果は、有機分子集合体の構造を精密に制御することで、同一の量子ドットと有機分子の組み合わせから、多様な量子ドット配列構造の形成が可能であることを示唆している。さらに、両共集合構造の分光測定より、量子ドットと有機分子間の相互作用が共集合構造に依存することを見出し、共集合構造によって光物性が変化することが明らかとなった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

受賞等
増尾貞弘，第38回光化学協会賞(2024年9月4日)「単一分子分光を駆使したナノ物質の光機能開拓」

参考文献
1.      Colloidal Quantum Dot Arrangement Assisted by Perylene Bisimide Self-Assembly, M. Yamauchi, S. Masuo, Chem. Eur. J., vol.25, pp.167-172 (2019).
2.      Self‐assembly of Semiconductor Quantum Dots via Organic Templates, M. Yamauchi, S. Masuo, Chem. Eur. J., vol.26, pp.7176-7184 (2020).
3.      Highly Ordered Quantum Dot Supramolecular Assembly Exhibiting Photoinduced Emission Enhancement, M. Yamauchi, S. Yamamoto, S. Masuo, Angew. Chem. Int. Ed., vol. 60, pp.6473-6479 (2021).
4.      One-Dimensionally Arranged Quantum-Dot Superstructures Guided by a Supramolecular Polymer Template, M. Yamauchi, K. Nakatsukasa, N. Kubo, H. Yamada, S. Masuo, Angew. Chem. Int. Ed., vol. 63, e202314329 (2024).


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Amrutha Manoj Lena, Photoinduced Electron Transfer System from Cesium Lead Bromide Quantum Dots to Naphthalenediimide Supramolecular Polymers, Chemistry – An Asian Journal, 20, (2024).
    DOI: https://doi.org/10.1002/asia.202401299
  2. Amrutha Manoj Lena, Orderly Arranged Cubic Quantum Dots along Supramolecular Templates of Naphthalenediimide Aggregates, Angewandte Chemie International Edition, 64, (2025).
    DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202423912
  3. Naoki Kubo, Hierarchical Coaggregation of Perovskite Nanocrystals and Dye Supramolecular Aggregates into a High‐Order Heterostructure, Advanced Optical Materials, 13, (2025).
    DOI: https://doi.org/10.1002/adom.202403567
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. 増尾貞弘，「単一分子分光法を駆使したナノ物質の光機能開拓」第45回光化学若手の会(招待講演）(2024年6月16日)
  2. 増尾貞弘，「量子ドット・ペロブスカイトナノ結晶の発光挙動評価　-単一粒子分光の観点から-」高分子学会有機エレクトロニクス研究会「量子ドット・ペロブスカイト・有機蛍光体材料の新展開」(招待講演)(2024年7月19日)
  3. 久保直輝，山内光陽，山口哲生，増尾貞弘，“Construction of Heterostructures Composed of a Perylene Bisimide Derivative with a Perovskite Nanocrystal and Evaluation of Energy Transfer”, 2024年光化学討論会(2024年9月3日)
  4. S. Masuo, “Energy transfer in quantum dot-organic molecule systems toward effective utilization of solar energy”, 24th International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy (IPS24)/International Conference on Artificial Photosynthesis-2024 (ICARP2024) (招待講演)(2024年7月30日)
  5. N. Huang, T. Yamaguchi, S. Masuo, “Elucidating a Relationship between Photoluminescence Behavior and Size of Cesium Lead Iodide Perovskite Nanocrystals”, 37th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2024) (2024年11月14日)
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

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