結晶中での極性芳香族分子の運動と制御による誘電機能の創出

• Project Area: pi-System Figuration: Control of Electron and Structural Dynamism for Innovative Functions
• Project/Area Number: 15H00980
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 原田 潤 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (00313172)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2016: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2015: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 分子性固体 / 誘電体物性

Outline of Annual Research Achievements

電荷移動錯体(CT錯体)は電子供与性の分子(ドナー)と電子受容性の分子(アクセプター)からなる分子間化合物である．本研究では，極性を持ち，結晶中でも運動可能な芳香族分子からなるCT結晶を作製し，結晶中における極性分子の面回転運動を利用して結晶の誘電機能を発現させることを目的とした．更に，高温で極性分子の回転により配向が乱れた無極性の構造を持つ結晶が，低温で配向が秩序化した極性構造の結晶へと変化する相転移を誘導することで，分子性強誘電結晶を開発すること目指した．
平成28年度はコロネン，ペリレンなどの多環芳香族炭化水素をドナーとし，テトラクロロ無水フタル酸(TCPA)およびテトラブロモ無水フタル酸(TBPA)などの極性分子をアクセプターとして用いたCT結晶について検討を行った．これらのCT錯体の単結晶を蒸発法あるいは共昇華法により作製した．温度可変X線回折測定により結晶構造を調べたところ，CT結晶のいくつかにおいて，構造相転移が起こることが分かった．それらの結晶では，高温相では極性分子の配向に乱れがあり低温相で配向が秩序化する，秩序－無秩序型の相転移が起こっていることが分かった．これらの結晶では，高温相で極性分子の面内回転運動に由来する誘電応答(配向分極)を示し，相転移により誘電率が急激に変化することが分かった．また，いくつかのCT結晶において，結晶構造変化としては，強誘電性を示すことが期待される相転移が観測された．

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Structural and transport properties of neutral radical crystals of CoIII(tmp)(CN)2 (tmp = 5,10,15,20-tetramethylporphyrinato) and the CN-bridged polymer [CoIII(tmp)(CN)]n (2017)
  • Author(s): M. Kurokawa, J. F. F. Jose-Larong, H. Hasegawa, Y. Takahashi, J. Harada, and T. Inabe
  • Journal Title: Dalton Trans. Volume: 46 Issue: 13 Pages: 4422-4429
  • DOI: 10.1039/c6dt04418b
  • NAID: 120006425606
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Directionally tunable and mechanically deformable ferroelectric crystals from rotating polar globular ionic molecules (2016)
  • Author(s): J. Harada, T. Shimojo, H. Oyamaguchi, H. Hasegawa, Y. Takahashi, K. Satomi, Y. Suzuki, J. Kawamata, and T. Inabe
  • Journal Title: Nature Chem. Volume: 8 Issue: 10 Pages: 946-952
  • DOI: 10.1038/nchem.2567
  • NAID: 120005981526
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Charge Carrier Doping into the Peierls Insulator of the TCNQ Anion Radical Salt (TCNQ = 7,7,8,8-Tetracyanoquinodimethane) (2016)
  • Author(s): H. Kubota, Y. Takahashi, H. Hasegawa, T. Shimada, J. Harada and T. Inabe
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 120 Issue: 21 Pages: 11545-11551
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b02665
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication of Conducting Thin Films on the Surfaces of 7,7,8,8- Tetracyanoquinodimethane Single-Component and Charge-Transfer Complex Single Crystals: Nucleation, Crystal Growth, Morphology, and Charge Transport (2016)
  • Author(s): Y. Takahashi, T. Mikasa, K. Hayakawa, S. Yokokura, H. Hasegawa, J. Harada and T. Inabe
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 120 Issue: 31 Pages: 17537-17545
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b05376
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Switching of Transfer Characteristics of an Organic Field-Effect Transistor by Phase Transitions: Sensitive Response to Molecular Dynamics and Charge Fluctuation (2015)
  • Author(s): S. Yokokura, Y. Takahashi, H. Nonaka, H. Hasegawa, J. Harada, T. Inabe, R. Kumai, H. Okamoto, M. M. Matsushita, K. Awaga
  • Journal Title: Chem. Mater. Volume: 27 Issue: 12 Pages: 4441-4449
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b01383
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Highly ordered alignment of conducting nano-crystallites on organic semiconductor single crystal surfaces (2015)
  • Author(s): Tomohiro Mikasa, Yukihiro Takahashi, Kei Hayakawa, Seiya Yokokura, Hiroyuki Hasegawa, Jun Harada, Tamotsu Inabe
  • Journal Title: Thin Solid Films Volume: 579 Pages: 38-43
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2015.02.034
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 柔粘性/強誘電性有機イオン結晶の開発 (2017)
  • Author(s): 大山口英明, 原田潤, 高橋幸裕, 稲辺保
  • Organizer: 日本化学会 第97春季年
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学日吉キャンパス (神奈川県・横浜市)
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] 強誘電性有機イオン結晶の開発 (2017)
  • Author(s): 米山奈帆, 横倉聖也, 原田潤, 高橋幸裕, 稲辺保
  • Organizer: 日本化学会 第97春季年会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学日吉キャンパス (神奈川県・横浜市)
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] Unique Ferroelectric Properties Found in Ferroelectric/Plastic crystals (2017)
  • Author(s): J. Harada, H. Oyamaguchi, N. Yoneyama, Y. Takahashi, and T. Inabe
  • Organizer: 3rd International Symposium on π-System Figuration, Nagoya University
  • Place of Presentation: 名古屋大学 (愛知県・名古屋市)
  • Year and Date: 2017-01-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unique ferroelectric properties found in organic ionic plastic crystals (2016)
  • Author(s): J. Harada
  • Organizer: AsCA2016 14th Conference of the Asian Crystallographic Association
  • Place of Presentation: ハノイ市(ベトナム)
  • Year and Date: 2016-12-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 特異な強誘電性を示す有機柔粘性イオン結晶の開発 (2016)
  • Author(s): 大山口英明, 下条啓文, 原田潤, 高橋幸裕, 稲辺保
  • Organizer: 第10回分子科学討論会2016神戸
  • Place of Presentation: 神戸ファッションマート（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 電荷移動錯体結晶中における極性分子の回転運動と誘電的性質 (2016)
  • Author(s): 米山奈帆, 原田潤, 高橋幸裕, 稲辺保
  • Organizer: 第10回分子科学討論会2016神戸
  • Place of Presentation: 神戸ファッションマート（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 柔粘性イオン結晶の示す特異な強誘電性 (2016)
  • Author(s): 原田 潤，下条啓文，大山口英明，長谷川裕之，高橋幸裕，稲辺保
  • Organizer: 平成28年度物性研究所短期研究会「パイ電子系物性科学の最 前線」
  • Place of Presentation: 東京大学物性研究所 (千葉県・柏市)
  • Year and Date: 2016-08-08
  • Invited
• [Presentation] Design of Dielectric Materials Based on Molecular Motion of Polar Aromatics in Crystals (2016)
  • Author(s): J. Harada, M. Ohtani, N. Yoneyama, Y. Takahashi, and T. Inabe
  • Organizer: 2nd International Symposium on π-System Figuration
  • Place of Presentation: 浦和コミュニティーセンター (埼玉県・さいたま市)
  • Year and Date: 2016-04-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 柔粘性イオン結晶の示す特異な強誘電性 (2016)
  • Author(s): 大山口英明, 下条啓文, 原田潤, 長谷川裕之, 高橋幸裕, 稲辺保
  • Organizer: 日本化学会 第96春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学(京都府・京田辺市)
  • Year and Date: 2016-03-24
• [Presentation] Unique Ferroelectricity found in Plastic Ionic Crystals (2016)
  • Author(s): . Oyamaguchi, T. Shimojo, J. Harada, H. Hasegawa, Y. Takahashi, T. Inabe
  • Organizer: The 4th Frontier Chemistry Center International Symposium
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道・札幌市)
  • Year and Date: 2016-02-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unique Ferroelectricity Found in Organic Ionic Plastic Crystals (2016)
  • Author(s): J. Harada
  • Organizer: The 12th Hokkaido University-Nanjing University- NIMS/MANA Joint Symposium
  • Place of Presentation: 北海道大学 (北海道・札幌市)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Polar molecules in charge-transfer crystals: Acquired dynamic and dielectric properties (2015)
  • Author(s): J. Harada, M. Ohtani, Y. Takahashi, T. Inabe
  • Organizer: PACIFICHEM 2015
  • Place of Presentation: ホノルル市(米国)
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dielectric response and structural phase transitions of charge-transfer complex crystals of polar acceptor molecules (2015)
  • Author(s): M. Ohtani, J. Harada, Y. Takahashi, T. Inabe
  • Organizer: PACIFICHEM 2015
  • Place of Presentation: ホノルル市(米国)
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of organic ionic crystals showing ferroelectricity from molecular rotation (2015)
  • Author(s): H. Oyamaguchi, T. Shimojo, J. Harada, Y. Takahashi, T. Inabe
  • Organizer: PACIFICHEM 2015
  • Place of Presentation: ホノルル市(米国)
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 分子運動によって強誘電性を発現する有機イオン結晶の開発 (2015)
  • Author(s): 原田潤, 下条啓文, 大山口英明, 長谷川裕之, 高橋幸裕, 稲辺保
  • Organizer: 平成27年度日本結晶学会年会
  • Place of Presentation: 大阪府立大学(大阪府・堺市)
  • Year and Date: 2015-10-17
• [Presentation] 分子運動に由来する強誘電性有機イオン結晶の開発 (2015)
  • Author(s): 原田潤, 下条啓文, 大山口英明, 長谷川裕之, 高橋幸裕, 稲辺保
  • Organizer: 第9回分子科学討論会2015東京
  • Place of Presentation: 東京工業大学(東京都・目黒区)
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] 強誘電体開発を指向した有機イオン結晶の設計 (2015)
  • Author(s): 大山口英明, 下条啓文, 原田潤, 長谷川裕之, 高橋幸裕, 稲辺保
  • Organizer: 第9回分子科学討論会2015東京
  • Place of Presentation: 東京工業大学(東京都・目黒区)
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] 電荷移動錯体結晶中の極性分子の運動に起因する相転移と誘電応答 (2015)
  • Author(s): 大谷将基, 原田潤, 高橋幸裕, 稲辺保
  • Organizer: 第9回分子科学討論会2015東京
  • Place of Presentation: 東京工業大学(東京都・目黒区)
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Ferroelectricity from Molecular Rotation in Organic Ionic Crystals (2015)
  • Author(s): 原田 潤
  • Organizer: ICCOSS XXII JAPAN 2015
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ(新潟県・新潟市)
  • Year and Date: 2015-07-12
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 柔らかい結晶相を利用した分極自在な有機強誘電体開発に成功
  • URL: http://www.hokudai.ac.jp/news/160713_sci_pr.pdf
• [Remarks] Plastic crystals could improve fabrication
  • URL: https://www.global.hokudai.ac.jp/blog/plastic-crystals-could-improve-fabrication-of-memory-devices/
• [Remarks] 柔らかい結晶相を利用した分極自在な有機強誘電体開発
  • URL: https://wwwchem.sci.hokudai.ac.jp/~kotai/new/NCHEM2567.html