単分子誘電体の発現機構解明と物性制御

• Project/Area Number: 23K13661
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 加藤 智佐都 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 特別研究員(RPD) (00916926)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2025: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 単分子誘電体 / プレイスラー型ポリオキソメタレート / ランタノイドイオン / メモリ効果

Outline of Research at the Start

本研究課題の目的は，「単分子誘電物性」発現のキーポイントである二重井戸型ポテンシャル構造の詳細な解析による「単分子誘電体」の発現機構の解明と，それによる物性制御方法の確立である。「単分子誘電体」は，従来の強誘電体とは異なり，一分子で自発分極を示すことから学術的・産業的に注目されている新しい物質群である。しかし，この物性の発現機構は詳しく解明されておらず，その性質を制御する方法も明らかになっていない。そこで本研究では，内包イオンの種類や骨格による影響を詳しく調査し，「単分子誘電物性」の発現機構と制御方法の確立を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

当該年度では，主に3価のランタノイドイオン（サマリウムイオン，ユーロピウムイオン，ガドリニウムイオン，ジスプロシウムイオン，ホルミウムイオン，エルビウムイオン）を内包したプレイスラー型ポリオキソメタレートの合成と誘電率の温度依存性測定を行った。
各化合物の合成は既に報告されている方法に従い，ナトリウムイオンを内包したプレイスラー型ポリオキソメタレートと各ランタノイド硝酸塩を用いた水熱合成法によって行った。得られた粉末について31P-NMRスペクトルを測定することによって，得られた化合物の純度を確認した。
さらに，得られた粉末試料を圧縮してペレットを作製し，100 - 420 Kの温度範囲で誘電率の温度依存性測定を行った。その結果，全ての化合物で単分子誘電体に特徴的な周波数に依存したピークが観測され，ポリオキソメタレート分子内で内包イオンが移動していることが示唆された。さらに，これらのピークトップ温度と周波数からアレニウスプロットを作成し，ブロッキング温度とエネルギー障壁の見積もりを行った結果，内包イオンの半径と相関を持つことが明らかとなった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当該年度では，種々のランタノイドイオンを内包したプレイスラー型ポリオキソメタレートの合成とその電気物性評価を行い，イオン半径とエネルギー障壁，ブロッキング温度の関係を見積もる結果を得ることができ，おおむね順調に進展していると考える。

Strategy for Future Research Activity

今後は，各化合物についてさらに詳細な電気物性評価，具体的には，分極の電場依存性測定，分極の温度依存性測定を行い，単分子誘電体のパラメータに対する影響を調査する。また，まだ合成に至っていないツリウムイオン，イッテルビウムイオンを包接したプレイスラー型ポリオキソメタレートの合成および電気物性評価を行う。
さらに，価数の異なるナトリウムイオンや銀イオンを内包したプレイスラー型ポリオキソメタレートや異なる骨格の単分子誘電体についても電気物性評価を行い，単分子誘電体の発現機構を明らかにしていく。