理系論文まとめ40回目 Nature communication 2023/7/20
MOFの電子ホッピングの実証！
科学・社会論文を雑多/大量に調査する為、定期的に、さっくり表面がわかる形で網羅的に配信します。今回もマニアックなNature communicationです。
さらっと眺めると、事業・研究のヒントにつながるかも。
世界の先端はこんな研究してるのかと認識するだけでも、
ついつい狭くなる視野を広げてくれます。
一口コメント
Diaryl-hemiindigos as visible light, pH, and heat responsive four-state switches and application in photochromic transparent polymers
可視光・pH・熱応答性4状態スイッチとしてのジアリールヘミインジゴとフォトクロミック透明ポリマーへの応用
「新たに開発したヘミインディゴ誘導体の合成法は、光スイッチの可能性を広げ、先端的な応用に道を切り開く。」
Short-wave infrared cavity resonances in a single GeSn nanowire
単一GeSnナノワイヤーにおける短波長赤外空洞共鳴
「Ge/GeSnコア/シェルナノワイヤーによるシリコン互換の赤外線ナノレーザーへの道筋を示しました。」
Imaging the electron charge density in monolayer MoS2 at the Ångstrom scale
単層MoS2における電子電荷密度のÅオングストロームスケールでのイメージング
「4D-STEMを使用してMoS2モノレイヤーの電子電荷密度をマッピングし、プローブの形状がその解釈に重要な影響を及ぼすことを明らかにしました。」
Arbitrary aperture synthesis with nonlocal leaky-wave metasurface antennas
非局所漏洩波メタサーフェスアンテナによる任意開口合成
「新しい無線通信ハードウェアのためのq-BICに基づく高度に制御可能なリーキーウェーブメタサーフェスアンテナの開発。」
Experimental manifestation of redox-conductivity in metal-organic frameworks and its implication for semiconductor/insulator switching
有機金属骨格における酸化還元伝導性の実験的発現と半導体／絶縁体スイッチングへの影響
「電子ホッピングによるレドックス伝導を実証し、その電位依存性を明らかにした新規MOFの研究。」
Polarization conversion in bottom-up grown quasi-1D fibrous red phosphorus flakes
ボトムアップ成長した擬1次元繊維状赤リンフレークの偏光変換
「新たなボトムアップアプローチにより、基板上に高品質な繊維状赤リンの薄片を成長させ、その光学的異方性を評価し、偏光変換用のマイクロフェーズリターダとしての応用を示しました。」
要約
可視光・pH・熱応答性4状態スイッチとしてのジアリールヘミインジゴとフォトクロミック透明ポリマーへの応用
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39944-x
本研究では、ヘミインディゴ（HI）誘導体の新たな合成法とその多様な機能を明らかにし、HIを高度な応用分野へと広げる道を開きました。
Hypsochromic E/Z species are highlighted in blue und bathochromic Z/E species are highlighted in red. a Molar absorption coefficients of pure E and Z isomers of 2c, 4b, and 4c in toluene solution and corresponding photographs of solutions after irradiation with light of suitable wavelengths to the respective pss. b Indicative sections of 1H NMR spectra (400 MHz, 23 °C, toluene-d8) of 2c, 4b, and 4c recorded after irradiation with light of suitable wavelengths to the respective pss. Source data are provided in a Source Data file.
①事前情報 :
HI誘導体は有望な光スイッチとして知られていましたが、その機能性と構造変更の可能性が制限されていました。
②行ったこと :
HI誘導体の新しい合成法を開発し、さらにその構造を修正することで、HIの性質を改善しました。また、これらの新たなHI誘導体の物理化学的な特性を詳細に調査しました。
③検証方法 :
合成したHI誘導体の光物理的・光化学的特性を詳細に分析し、そのスイッチング特性を評価しました。また、これらの誘導体が多状態スイッチングや機能材料にどのように利用できるかを示しました。
④分かったこと :
この新しい理論式は、以前の経験的な公式や機械学習に比べて、精度、効率、普遍性、解釈性の点で優れた結果を示しました。
⑤この研究の面白く独創的なところ :
HI誘導体の新たな合成法とその構造修正の可能性を開示した点が独創的です。これにより、HI誘導体が具有する様々な機能をフルに活用できるようになり、これまで以上に高度な応用が可能になります。
応用先
新たに合成したHI誘導体は、分子機械やスイッチの研究、光異性化メカニズムの研究、スマートでアドレス可能な材料の生成など、多岐にわたる応用が可能となります。
単一GeSnナノワイヤーにおける短波長赤外空洞共鳴
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40140-0
本研究では、単一のGe/GeSnコア/シェルナノワイヤーからのキャビティ共振を観察し、シリコンと互換性のある赤外線ナノレーザーを実現する可能性を示しました。
a SEM image of Ge/Ge0.90Sn0.10 core/shell nanowires. b Cross-sectional HAADF-STEM image and compositional EDX maps showing C, O, Si, Ge, Sn, Pt overlayed as well as the Ge and Sn map. c APT measurement showing the Ge core and the inner portion of the Ge0.90Sn0.10 shell. The line profile (white arrow) is shown in d. d Plot of the Sn content as a function of the distance along the radial direction of the shell estimated from APT and EDX.
①事前情報 :
過去にはIII-VやII-VIの半導体材料を使ったナノワイヤー光源が報告されていました。しかし、シリコンとの互換性を持つグループIVの材料、特にGeとGeSnの底上げ成長ナノワイヤーにおける強いキャビティ効果の証拠は見つかっていませんでした。
②行ったこと :
本研究では、Sn含有量が約10at%のGe/GeSnコア/シェルナノワイヤーの一つから強いフォトルミネッセンスを観察し、これがキャビティ共振によるものであることを示しました。
③検証方法 :
Geコアを20nm以下に保つことで、ナノワイヤーのラジアルヘテロ構造の弾性ひずみ緩和を高め、成長に伴う欠陥の拡大を防ぎました。また、光ポンピングにより、材料の損失を大幅に低減させることが可能となりました。
④分かったこと :
光子の多くのラウンドトリップを実現し、フォトルミネッセンスを大幅に強化することができました。その結果、ナノワイヤーの各端面間の光の閉じ込めが効果的に行われ、3.3nmという狭い幅を達成しました。
⑤独創的なところ :
独自のGe/GeSnコア/シェルナノワイヤーを用いて、シリコンと互換性のある短波赤外線レーザーの実現可能性を初めて示しました。
応用
この研究は、未開拓の短波赤外線範囲における光子集積回路に向けた超小型オンチップ光源の実現につながる可能性があります。
単層MoS2における電子電荷密度のÅオングストロームスケールでのイメージング
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39304-9
4D-STEM（4次元走査型透過電子顕微鏡）を用いて、原子の電場マッピングを実行し、MoS2モノレイヤーの電子電荷密度を測定しました。プローブ形状の影響を強調し、より小型の電子プローブと精確なプローブの逆畳み込み方法の必要性を示唆しました。
a Schematic showing the experimental setup for simultaneous 4D-STEM and Annular Dark Field (ADF)-STEM imaging. b Atomic structure of a super-cell of MoS2. c Super-cell averaged ADF-STEM image. d Center of mass along y and (e) center of mass along x corresponding to (c). All images have the same scale with the scale bar in (d).
事前情報
4D-STEMは原子電場を映像化する能力で広く注目を集めていますが、原子核、コア電子、および価電子の寄与を分離するのは困難です。
行ったこと
モノレイヤー2D 2H-MoS2をモデルシステムとして使用し、4D-STEMデータセット中の原子電場と電荷密度の寄与を調査しました。
検証方法
4D-STEMのCoM（重心）イメージとADF（アニュラダークフィールド）イメージを同時に取得し、それを使用してMoS2の電子電荷密度を決定しました。
分かったこと
プローブのブラーリングにより、コア電子が測定された電子電荷密度マップを支配することが判明しました。
この研究の面白く独創的なところ
ADF-STEM強度チャネルを使用して核の寄与を4D-STEMから派生した全電荷密度から引き算し、MoS2の電子電荷密度を導出する方法を示しました。
応用
⑥この研究は現実のアプリケーションだと何に使えるか： この研究の手法は、材料科学、固体物理学、化学の分野で、特に物質の電子構造と物性の関係を解明するために使用することができます。
非局所漏洩波メタサーフェスアンテナによる任意開口合成
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39818-2
この研究では、5G/6Gネットワーキングや衛星インターネットへの需要に対応するため、電磁波を任意に操作できるメタサーフェスを用いた高性能なアンテナを開発しました。これは、メタサーフェスの特性を活用したリーキーウェーブメタサーフェスアンテナ（LWMアンテナ）により、放射の振幅、位相、偏光状態を点対点で制御することが可能です。
a Isometric and b side view of a schematic drawing. The amplitude A, phase Φ and polarization state ψ, χ of the aperture fields can be independently controlled in a point-wise fashion by locally engineering the geometrical perturbations (inset) to the perforated perfect electric conductor (PEC) parallel plate waveguide.
①事前情報：
従来のリーキーウェーブアンテナ（LWAs）は、データ容量、チャネルダイバーシティ、エネルギー効率といった要件に対する制御の自由度が限られていました。そのため、近年ではメタマテリアルやメタサーフェスを基にした新しいアンテナ設計が注目されてきました。
②行ったこと：
我々は、波長を理想的に操作する能力を持つq-BIC（quasi-Bound states in the continuum）の原理を使用して、マイクロ/ミリ波周波数で動作するリーキーウェーブメタサーフェスアンテナを設計しました。
③検証方法：
この設計は、完全波数シミュレーションと実験測定により検証されました。
④分かったこと：
q-BICに基づくLWMアンテナプロトタイプは、リーキーウェーブ放射制御に前例のない機能を示しました。具体的には、単一入力多出力（SIMO）LWMレンズ、多入力多出力（MIMO）レンズ、そして多ビームLWMアンテナを実現しました。
⑤この研究の面白く独創的なところ：
q-BICの枠組みを利用したこの研究では、放射の振幅、位相、偏光状態を完全に制御することが可能です。これは、メタユニット内部の四つの独立した幾何学的自由度と波の四つの自由度（振幅、位相、方向、偏光の楕円率）を結び付ける簡単な代数的関係を提供します。
応用
この研究は、5G/6Gネットワーキング、衛星インターネット、自動車、スマート/認知無線などの最先端の技術需要に対応するハードウェアを提供します。
有機金属骨格における酸化還元伝導性の実験的発現と半導体／絶縁体スイッチングへの影響
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40110-6
本研究は、電子ホッピングによるレドックス伝導を示すメタル有機フレームワーク（MOF）を直接実証し、その伝導性能が電位の変化にどのように影響するかを明らかにしました。
a The crystal structure of Zn(pyrazol-NDI) with the projection of the pyrazolate-bridged Zn2+ chain (top) and viewing along the c direction (bottom); hydrogen atoms are omitted for clarity; C, N, O, and Zn atoms or ions are presented with gray, blue, red, and brown spheres, respectively (the crystal structure was reconstructed based on the reported structure in ref. 19). b Experimental thin-film X-ray diffraction (XRD) data on fluorine-doped tin oxide surface (FTO) surfaces and simulated powder XRD data. c Scanning electron microscopy (SEM) cross-section image of the Zn(pyrazol-NDI) thin-film on FTO. d A representative CV with a scan rate of 5 mV s−1: points i-v indicate various potentials, the applications of which result in different redox states of the film as described by the mole fraction of electrons (x, ranging from 0 to 2 with a step of 0.5) with respect to the NDI linkers. e, f UV–vis spectroelectrochemical measurements of Zn(pyrazol-NDI) thin-film at controlled potentials to access different mole fraction of electrons within the film, x-Zn(pyrazol-NDI), x = 0.0, 0.5, 1.0 (e) and x = 1.0, 1.5, 2.0 (f), calculated spectra are also included for x = 0.5, 1.5 using linear combination of x = 0.0 and 1.0, x = 1.0 and 2.0, respectively. All electrochemistry data were collected in Ar-saturated DMF with KPF6 as the supporting electrolyte (0.1 M).
①事前情報：
電子ホッピングによるレドックス伝導性の存在は、MOFの物性理論において重要な問いでしたが、実験的な証明がこれまで難しいままでした。特に、レドックス伝導性が電位変化に対してベル型分布を示すことは理論的に予想されていましたが、証明はなされていませんでした。
②行ったこと：
本研究では、フッ素ドープスズ酸化錫（FTO）表面に成長させたZn(pyrazol-NDI) MOF（pyrazol-NDI = 1,4-bis[(3,5-dimethyl)-pyrazol-4-yl]naphthalenediimide）を用いて、電子ホッピングによるレドックス伝導を直接実証しました。
③検証方法：
適用された電位を変化させながら、UV/Vis分光電気化学的特性を調査し、レドックス伝導性の分布を確認しました。
④分かったこと：
Zn(pyrazol-NDI) MOFは、NDIリンカーの中間電位で最小の電気抵抗を示し、その伝導性は中性または完全に還元された膜と比較して10,000倍以上向上しました。さらに、レドックス活性サイトが電子的に孤立した他のMOFでも、レドックス伝導性の一般性が確認されました。
⑤この研究の面白さと独創的なところ：
電子ホッピングによるレドックス伝導性の直接的な実証と、その伝導性能が電位の変化にどのように影響するかの具体的な解明が本研究のユニークな貢献です。
応用
この研究は、再構成可能な電子機器、微細多孔体導体、エネルギー変換・貯蔵装置などの分野でのMOFの利用において、伝導性能を最適化するための新たな戦略を提供します。
ボトムアップ成長した擬1次元繊維状赤リンフレークの偏光変換
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40122-2
本研究では、化学蒸気輸送法を用いて、高品質の繊維状赤リン薄片を基板上に成長させる新たなボトムアップアプローチが開発されました。さらに、これらの薄片の光学的異方性も評価され、偏光変換に利用可能なマイクロフェーズリターダとしての応用が検討されました。
a Schematic illustration for chemical vapor transport (CVT) growth of fibrous RP flakes on a SiO2/Si substrate via an inverse temperature gradient in the P/Sn/I2 system. b Crystal structure of fibrous RP viewed from the [010] direction and the (001)/(002) diffraction planes for fibrous RP denoted by red and blue planes, respectively. c Typical optical image of fibrous RP flakes directly grown on the SiO2/Si substrate. d Atomic force microscope (AFM) image of the corresponding fibrous RP flake, showing a thickness of ~37 nm. e Raman spectrum of fibrous RP flakes measured under 532 nm excitation. The peak labeled “*” originates from the SiO2/Si substrate. The unit of intensity is arbitrary units (a.u.). Inset: Raman mapping at ~471 cm−1 of the fibrous RP flake. f High-resolution X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum of P 2p for fibrous RP flakes directly grown on the SiO2/Si substrate. The red and blue fitting curves correspond to P 2p3/2 and P 2p1/2, respectively. g Inverse pole figure (IPF) of fibrous RP flakes along the z-axis. Inset: The color diagram for IPF. h Pole figure of fibrous RP flakes for the {001} plane group. i X-ray diffraction (XRD) pattern of fibrous RP flakes directly grown on the SiO2/Si substrate. The inset displays the measurement configuration. j The statistical growth conditions of 100 successful attempts to obtain fibrous RP flakes.
事前情報
繊維状赤リンは赤リンの五つの変種のうちの一つで、一次元的な性質を持つ新たなバンダーワールス結晶です。この繊維状赤リンは、電子デバイスの高移動度や巨大な光学的異方性といった魅力的な性質を持ちます。しかし、その特異な構造から繊維状赤リンの薄片を得ることは困難で、基板上に成長させることも難しいという課題がありました。
行ったこと
我々は、化学蒸気輸送（CVT）反応を利用して、(001)配向の高品質な繊維状赤リンの薄片を基板上に成長させる方法を開発しました。
検証方法
反応機構の解析と理論計算を行い、得られた薄片の成長は、Sn媒介のP4部分圧とSnI2キャッピング層による指向性成長の相乗効果によるものであることを明らかにしました。また、角度解析偏光ラマン分光法（ARPRS）、偏光解析可視光分光法、および偏光解析光学顕微鏡（PROM）を用いて、得られた薄片の光学的異方性を詳細に調査しました。
分かったこと
繊維状赤リンの薄片は、相乗効果により形成されることが明らかとなりました。また、これらの薄片は明瞭な光学的異方性を持ち、それが評価されました。
この研究の面白く独創的なところ
この研究では、基板上に高品質な繊維状赤リンの薄片を直接成長させるボトムアップアプローチが初めて開発されました。これにより、異方性の研究やデバイスへの統合が可能となりました。
応用
得られた繊維状赤リンの薄片は、偏光変換用のマイクロフェーズリターダとしての可能性を持ちます。これは、光学デバイスやセンシング、偏光感度のある光検出器など、様々な応用に役立つ可能性があります。
最後に
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