５－２

助成番号 150862
研 究 成 果 報 告 書（国立情報学研究所の民間助成研究成果概要データベース・登録原稿）
研究テーマ（和文） ＡＢ

新型分子性ヨウ化物が示すガス吸着表面伝導状態の解明とセンサーへの応用

研究テーマ（欧文） ＡＺ

Investigation for the gas-sensitive surface conductivity in the organometal iodide
Cr2I6(Pn)4 toward gas sensor application

研究氏
代表名者

ｶﾀｶﾅ ＣＣ姓）ムラカワ名）ヒロシ

研究期間 Ｂ

2015 年 11 月～2016 年 11 月

漢字 ＣＢ

村川寛

報告年度 ＹR

2016Hiroshi

研究機関名

大阪大学

ﾛｰﾏ字 ＣＺ Murakawa

研究代表者 ＣＤ
所属機関・職名年

大阪大学大学院理学研究科物理学専攻・助教

概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)
申請者らが合成した新物質 Cr2I6(C8N2H4)4 は、大気中の雰囲気に応じて電気伝導度が劇的に変化する性質を示すことから特定のガス種を敏感に検知するセンサーとしての応用可能性が期待される。本研究では、このガス種の特定と吸着状態、電気伝導機構の解明と、ガスセンサーとしての性能評価に取り組んだ。まず、高い純度でのガス置換が可能な試料空間を設計し、大気中に含まれる主要な気体(窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素、水素、ヘリウム)中で電気伝導度の測定を行った。その結果、これらの気体中では電気伝導度は極めて低いままの絶縁体であった。一方で、電気伝導度は空気中の湿度に依存して数万倍程度の大きな変化を示すことを発見した。次に精密な湿度制御が可能な試料空間を構築し、電気伝導度の湿度依存性と湿度変化に対する応答性能について評価した。図に示すように、電気伝導度の応答速度は市販の湿度センサー(Sensiｒion)よりも高速であり、特に低湿度領域では湿度変化の繰り返しに対して高い再現性を示すことが明らかになった。また、30%以下の低湿度領域では湿度と電気伝導度との間に直線的な関係性が見られた。一般的に普及しているセンサー素子は、ガスとの接触面積を増やすために多孔質構造の体積吸着型であることに対して、本物質ではバルクの単結晶でありながらも湿度変化に対して表面電気伝導が高速で応答することがわかった。試料表面上に吸着された水が薄い伝導層を形成し、湿度に応じてその経路の切断と再生が瞬時に進行するものと考えられる。一方、X 線構造解析により本分子は平面的な Cr2I6 の 2 核錯体構造を有するとともに、この分子結晶では１次元的なヨウ素ネットワーク構造と C8N2H4 による面接触型ネットワークが実現していることが明らかとなった。これらの結果についてまとめた論文は Chemistry Letters 46 554 (2017)に掲載された。今後、この特徴的な結晶構造と表面電気伝導度との関係性の解明が期待される。
H(b)C

Conductance (nS)

INcCra⦿b(c)Conductance (nS)

810010-110-210-310-464200c51015403020100Humidity (%)(a)Time (min)Air

N2O2ArCO2H2He vacuuma

図 1 Cr2I6(C8N2H4)4 の分子構造(a)と結晶構造(b)。
(c)分子結晶内の 1 次元ヨウ素ネットワーク。
キーワード ＦＡ

分子性ヨウ化物

湿度敏感な電気伝導

図 2 様々なガス環境下での電気伝導度と、湿度変化に対する電気伝導度の応答性。
能。
2 核錯体

（以下は記入しないでください。）
助成財団ｺｰﾄﾞ ＴＡ

研究課題番号 ＡＡ

研究機関番号 ＡＣ

シート番号- 1 -発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文標題ＧＢ

Synthesis and Characterization of Iodide-coordinated Dinuclear Molecular Single
Crystal Cr2(-I)2I4(C8N2H4)4

著者名 ＧＡ

H. Murakawa et al. 雑誌名 ＧＣ

雑誌ページ ＧＦ

554 ～ 556

発行年 ＧＥ

Chemistry Letters2017

巻号 ＧＤ

46

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ
著者名 ＨＡ

図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ

欧文概要 ＥＺ
We newly synthesized single crystals of Cr2I6(C8N2H4)4, in which highly symmetric planar dinuclear
Cr2I6 units are partially stacked, forming a one-dimensional iodide network. Although the electricalconductance of Cr2I6(C8N2H4)4 was quite low (< 0.3 pS) in a vacuum, it showed drastic enhancement (~ 104times the value in vacuo) when the single crystalline sample was exposed to humid air. We made surethat electrical conductance remained low in various kinds of gas, such as N2 (which has a naturalabundance of 78.08%), O2 (20.94%), Ar (0.93%), CO2 (0.04%), He (500 ppm), and H2 (50 ppm), all of which
are major constituents of air. Since only the molecule having a high natural abundance in air except
above-mentioned gases is H2O, we conclude that H2O molecules in air are the origin of the drastic
conductance enhancement in Cr2I6(C8N2H4)4. We analyzed the response speed of electrical conductance tothe changes in the humidity level. In our experiment, a nearly instantaneous change of humidity level
was produced by switching the completely dried air (0%) and humid air (40%). Electrical conductance
exhibited a quick and repeatable response to the humidity-level changes over a 1 minute cycle. During thehumidification process, the response speed of conductance in Cr2I6(C8N2H4)4 was slightly slower than thatof the commercially available humidity sensor “Sensirion”. On the other hand, it was much faster over thedehumidification process. The H2O absorption on a surface of the single crystal is a possible origin of theelectrical conduction, that permitted the fast and highly-sensitive response to a humidity change. Furtherstudies will be required to clarify the mechanism.

- 2 -