新たな設計手法でCNT上に任意の欠陥構造を形成：長波長化した発光を選択的に創出

九州大学と理化学研究所の研究グループは、カーボンナノチューブ（CNT）上に任意の欠陥構造を形成するための新たな手法を開発し、従来の欠陥発光よりも大幅に長波長化した発光を選択的に作り出すことに成功したと発表した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

形成した欠陥部位に別の分子を後修飾することも可能

　九州大学と理化学研究所の研究グループは2022年11月、カーボンナノチューブ（CNT）上に任意の欠陥構造を形成するための新たな手法を開発し、従来の欠陥発光よりも大幅に長波長化した発光を選択的に作り出すことに成功したと発表した。

CNT（単層構造）の模式図 出所：九州大学他

　CNTは機械的特性に優れ、電気／熱伝導、光学特性（近赤外域での光吸収／発光）など多くの機能性を備えたナノ材料である。中でも近赤外発光は、バイオイメージングや光通信などへの応用が期待されている。ただ、CNTの発光効率は1％未満で、発光波長もチューブの構造で決まるなど、実用化に向けては解決すべき課題もあった。

　こうした課題を解決するには、チューブ中の欠陥の配置を制御することが有用であることは分かっていた。しかし、従来技術で発光特性を大きく改善することは難しく、新たな化学修飾技術が必要になっていたという。

　研究グループは今回、修飾分子にπ共役構造をもつ部位を置換基として導入した。これによって、従来の欠陥発光（約1140nm）に比べ、大幅に長波長化した発光（1260nm）を選択的に作り出すことに成功した。また、さまざまなπ共役系構造を持つ置換基の作用を検討。開発した手法は、長波長の欠陥発光を生み出すことができる分子設計指針として、一般性があることを示した。さらに、欠陥発光を2.8倍に高輝度化させることや、クリックケミストリーを利用し、形成した欠陥部位に別の分子を後修飾できることなどを明らかにした。

左は修飾分子の化学構造例と修飾CNTの模式図。右は観測された近赤外発光スペクトル 出所：九州大学他

クリックケミストリーを利用して行った修飾CNTへの後修飾反応 出所：九州大学他

　今回の研究成果は、九州大学大学院工学研究院および九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所（I²CNER）の白木智丈准教授、藤ヶ谷剛彦教授、加藤幸一郎准教授および同大学工学府博士課程3年の余博達氏、修士課程の仲禎一氏、青木榛花氏（研究当時）、理化学研究所光量子工学研究センターの加藤雄一郎チームリーダー、山下大喜訪問研究員、藤井瞬基礎科学特別研究員（研究当時）らによるものである。