フラットバンドの化学構築とバンドフィリング制御

• Project/Area Number: 19K22167
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 32:Physical chemistry, functional solid state chemistry, and related fields
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 阿波賀 邦夫 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (10202772)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2021-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: フラットバンド / トリプチセン / バンドフィリング制御

Outline of Research at the Start

これまでの研究により、C3対称性をもつ分子がハニカム格子に結晶化すれば、必然的にDirac coneやフラットバンドが形成されることを見出している。この物質設計指針に従い、トリプチセン骨格に、ドナーやアクセプター性、あるいは金属イオンへの配位能をもつさまざまな置換基を導入し、分子間の電荷移動相互作用や配位結合によって強固な分子性ハニカム格子を合成する。その次のステップとして、固体電気化学などの手法を用いて、分子性ハニカム格子に関するバンドフィリング制御に挑戦する。すなわち、当該物質を電極上に配して電解質に浸し、電極電位の制御によって系のフェルミエネルギーを連続的に制御する。

Outline of Annual Research Achievements

我々はこれまの研究により、C3対称性をもつ分子がハニカム格子に結晶化すれば、必然的にDirac coneやフラットバンドが形成されることを見出している。本研究ではこの物質設計指針に従い、C3対称性をもつ分子骨格としてトリプチセンを選び、ドナーやアクセプター性、あるいは金属イオンへの配位能をもつさまざまな置換基を導入しながら、分子性ハニカム格子の合成すを目指した。
本年度は、ハニカム格子の類縁格子であるカゴメ格子を有するMOFを合成した。カゴメ格子には、スピンフラストレーションが期待される。得られた系について、極低温域までの磁気測定と熱測定を行った。この結果、多次元的な相互作用をもつにもかかわらず、磁気的秩序状態に転移することなく、低温ではスピン液体状態にあることが結論された。これは、スピンフラストレーションが長距離の磁気的秩序を阻害したためと考えられる。極低温域における磁気測定と熱測定から、スピン液体状態の磁化率と比熱の温度依存性を実験的に決定することができた。さらに、これを説明するためのモデルについても検討した。
さらに本年度は、いくつかの新規トリプチセン誘導体の合成に成功している。ドナー性とアクセプター性を系について、それぞれその合成に成功した。現在、再結晶法や昇華法によって結晶作製を進めており、いくつかの系では、結晶構造解析や物性測定に取り掛かっている。また現在、電解結晶化によってラジカル塩の作製も行っている。

Research Products

• [Journal Article] Quantum Spin Liquid State in a Two-Dimensional Semiconductive Metal-Organic Framework (2020)
  • Author(s): Misumi Yuki、Yamaguchi Akira、Zhang Zhongyue、Matsushita Taku、Wada Nobuo、Tsuchiizu Masahisa、Awaga Kunio
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 142 Issue: 39 Pages: 16513-16517
  • DOI: 10.1021/jacs.0c05472
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Auxiliary ligand-induced structural diversities of octacyanometalate-based heterobimetallic coordination polymers towards diverse magnetic properties (2019)
  • Author(s): Qian Jun, Yoshikawa Hirofumi, Hu Jingchun, Humphrey Mark G., Zhang Jinfang, Awaga Kunio, Zhang C
  • Journal Title: DALTON TRANSACTIONS Volume: 48 Issue: 22 Pages: 7666-7676
  • DOI: 10.1039/c9dt00654k
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In situ formed [M(CN)(9)] (M = W, Mo) as a building block for the construction of two nona-cyanometalate-bridged heterometallic coordination polymers (2019)
  • Author(s): Qian Jun, Yoshikawa Hirofum, Humphrey Mark G., Zhang Jinfang, Awaga Kunio, Zhang Chi
  • Journal Title: CRYSTENGCOMM Volume: 21 Issue: 29 Pages: 4363-4372
  • DOI: 10.1039/c9ce00579j
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Remarks] 物性化学研究室 http://advmat.chem.nagoya-u.ac.jp/
• [Remarks] 物性化学研究室
  • URL: http://advmat.chem.nagoya-u.ac.jp/