Kim表面界面科学研究室

准主任研究員

金 有洙

  • Yousoo Kim
  • 博士（工学）
  • 金 有洙
  • 略歴
    1999
    東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻 博士課程修了
    1999
    理化学研究所 表面化学研究室 協力研究員／基礎科学特別研究員
    2002
    同 研究員
    2006
    同 先任研究員／専任研究員
    2010
    同 Kim表面界面科学研究室 准主任研究員 （現職）
    2011
    埼玉大学大学院理工学研究科 連携教授（現職）

研究概要

Kim表面界面科学研究室

エネルギーの移動や変換の過程を個々の分子や原子に対して詳細に記述することは、微小デバイスにおけるエネルギー利用の高効率化・高機能化、あるいは触媒表面における物質変換の効率向上を図る上で最も重要な要素の1つである。当研究室では、表面および界面におけるエネルギー移動・変換過程の学理を探求することを目指し、主に走査プローブ顕微鏡法による実験と密度汎関数法による理論計算の両面で、分子・原子レベル研究を行っている。具体的には、金属単結晶表面や金属酸化物薄膜表面における単一分子の振動状態および電子状態のトンネル電子による励起とそれに伴う化学反応および運動、自己組織化有機薄膜における表面電子物性および界面での電荷移動、金属電極上のカーボンナノチューブやナノグラフェンにおける局所電子構造の解明および化学修飾による物性制御に関する研究を行っている。さらに、光機能性をもった微小デバイスの開発に必要な基礎情報を提供することも視野に入れ、フォノンのエネルギー緩和過程の解明に向けた単一分子からのテラヘルツ波検出、低次元ナノ材料における「光−電子」エネルギー変換機構の解明などの研究に着手している。

最近の研究成果

単一分子における局所電子物性

Cu（110）表面に形成したメタアミノ安息香酸イオンの単分子膜における吸着量による超構造の変化および電子状態の変化
図1 Cu（110）表面に形成したメタアミノ安息香酸イオンの単分子膜における吸着量による超構造の変化および電子状態の変化

単一分子を流れる電子の伝導メカニズムを理解するためには、電極接合の構造および局所的な電子状態の両者を同時に明らかにすることが必要不可欠である。我々は、原子レベルの空間分解能を有す走査トンネル顕微鏡/分光法（STM/STS）を用いて、金属単結晶基板上に吸着した分子の吸着構造および単一分子レベルでの電子状態の評価を行った。

まず、Cu（110）表面に吸着したアミノ安息香酸イオン（NH2C6H4COO-）に対して局所構造および電子状態観察を行い、SPring-8放射光施設において単分子膜のＸ線内殻分光を行った。その結果、ベンゼン環と金属表面の軌道混成および分子間に働く水素結合の効果によって、低被服率の場合には分子が表面にほぼ平行に吸着するが、被服率が高くなるにつれて分子が立ち上がることが明らかになり、このような吸着構造の変化により芳香族分子において置換基が分子－金属間の軌道混成過程に明確な影響を与えることが理解できた［Langmuir 2009, 25, 5504］。

また、ダイヤモンドの炭素骨格の単位構造であるアダマンタンにチオール置換基の脚を3個取り付けた「分子三脚」を有機合成の手法で構築し、Au（111）基板に蒸着することにより単分子膜を作製した。各分子は基板表面のbridge siteに三つの化学結合を形成し、従来の一点吸着のチオール分子－金属結合より強固な金属－有機分子の結合が実現できた。STM観察結果、この分子は本来キラル特性を持っていないにもかかわらず、分子間および分子－基板間相互作用により階層的キラル構造を形成しながら単分子膜を形成していくことがわかった。STS測定結果、Au基板表面が有する表面電子状態が分子吸着により遮蔽され、アダマンタン部分による絶縁効果を生み出していることと考えられる［J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 2511］。

さらに、様々な金属表面に固定させた単層カーボンナノチューブ（SWCNT）について、STMおよびSTSを用いた局所電子状態観察を行った。各基板上におけるSWCNTのSTSスペクトルを比較すると、SWCNTと基板とのエネルギーレベルの違いにより、フェルミー準位近傍のエネルギー領域において異なる電子的相互作用が存在することが明らかになった。特に、Ag（100）表面に固定されたSWCNTが電極の原子配列の影響を受けることで、量子ドットが規則正しく、自己整合的に一次元配列することを発見した［Nature Nanotech. 2009, 4, 567］。

銀電極表面に固定したSWCNT上に形成された量子ドットの一次元配列
図2 銀電極表面に固定したSWCNT上に形成された量子ドットの一次元配列
金基板の表面上に吸着したアダマンタン誘導体が形成する階層的キラル構造
図3 金基板の表面上に吸着したアダマンタン誘導体が形成する階層的キラル構造

主要論文

  1. J. Jung, H. -J. Shin, Y. Kim, M. Kawai, Activation of ultrathin oxide films for chemical reaction by interface defects, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 6142.
  2. H. W. Kim, et al. Control of Molecular Rotors by Selection of Anchoring Sites, Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 146101.
  3. K. Motobayashi, Y. Kim, H. Ueba, M. Kawai, Insights into action spectroscopy for single molecule motion and reactions through inelastic electron tunneling, Phys. Rev. Lett. 2010, 105, 076101.
  4. H. -J. Shin, et al. State-selective dissociation of a single water molecule on an ultrathin MgO film, Nature Mater. 2010, 9, 442.
  5. H. -J. Shin, S. Clair, Y. Kim, M. Kawai, Substrate-induced array of quantum dots in a single-walled carbon nanotube, Nature Nanotech. 2009, 4, 567.
  6. M. Ohara, Y. Kim, S. Yanagisawa, Y. Morikawa, M. Kawai, Role of molecular orbitals near the Fermi level in the excitation of vibrational modes of a single molecule at the STM junction, Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 136104.
  7. S. Katano, Y. Kim, M. Hori, M. Trenary, M. Kawai, Reversible control of hydrogenation of a single molecule, Science 2007, 316, 1883.
  8. S. Katano, Y. Kim, H. Matsubara, T. Kitagawa, M. Kawai, Hierarchical Chiral Framework Based on a Rigid Adamantane Tripod on Au(111), J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 2511.
  9. Y. Sainoo, et al. Excitation of Molecular Vibrational Modes with Inelastic Scanning Tunneling Microscopy Processes: Examination through Action Spectra of cis-2-Butene on Pd(110), Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 246102.
  10. Y. Kim, T. Komeda, M. Kawai, Single-molecule reaction and characterization by vibrational excitation, Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 126104.

主要メンバー

主宰者 add delete
金 有洙 Yousoo Kim 准主任研究員    
スタッフ研究員 add delete
ポスドク add delete
加藤-清水 智子 Tomoko Kato-Shimizu 基礎科学特別研究員    
南谷 英美 Emi Minamitani 基礎科学特別研究員    
鄭 載勲 Jaehoon Jung 特別研究員    
今田 裕 Hiroshi Imada 特別研究員    
学生・研究生 add delete
野口 卓也 Takuya Noguchi ジュニア・リサーチ・アソシエイト    
竹本 整司 Seiji Takemoto 大学院生リサーチ・アソシエイト    
梁 賢眞 Hyun Jin Yang 大学院生リサーチ・アソシエイト    
リピン・ツー Liping Zhu 国際プログラム・アソシエイト    
ジュヨン・パク Juyeon Park 国際プログラム・アソシエイト    
技術系アシスタント add delete
デビド・ウェイン・チャプモン David Wayne Chapmon テクニカルスタッフⅠ    
事務系アシスタント add delete
客員研究員・客員技師 add delete
その他のスタッフ add delete
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