2016 Fiscal Year Research-status Report
イオンインターカレーションによる中性錯体分子結晶の磁気秩序制御
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16K05738
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
谷口 耕治 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (30400427)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | リチウムイオン電池 / 磁性 / MOF / マグネトイオニクス / 固体電気化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、ドナー（D）分子の水車型Ru二核錯体分子と、アクセプター（A）分子のTCNQ誘導体より構成される、酸化還元活性な有機金属骨格体（D/A-MOF）をリチウムイオン電池に正極として組み込み、物質へのイオンインターカレーションを介した電子量フィリングによる磁性制御に取り組んだ。
まず、置換基を様々に変えた各種D, A分子のHOMO, LUMO準位を密度汎関数計算により求め、A分子のLUMO準位がD分子の HOMO準位よりも高いエネルギーを持つ組合せから候補物質を選定した。この場合、D分子からA分子への電子移動は抑制され、ターゲットとした中性錯体集積体の形成が期待される。今回、上記条件を満たす組合せとして、D分子として、[Ru2II,II(CF3CO2)4(THF)2]（EHOMO = -5.6183 eV）、A分子としてBTDA-TCNQ（ELUMO = -4.7353 eV）を選択した。
上記の分子を原料として合成した試料は、単結晶X線構造解析により結晶構造を決定し、原子結合長を中性状態orイオン性状態の判断基準の一つとした。また、赤外透過（IR）スペクトル測定を行い、還元状態に敏感なCN伸縮モードのピークシフト（還元されると低波数側にシフト）の有無を調べ、さらに磁化率測定において磁気秩序の発生が確認されなかったことから、中性状態の集積体が得られていると判断した。
得られた化合物に対し、リチウムイオン電池システムにより、フィリング制御を行ったところ、常磁性状態から人工的なフェリ磁性状態を誘起することに成功した。さらに、磁化のin-situ測定システムを構築し、リチウムイオン電池の充放電と連動させて常磁性相とフェリ磁性相を可逆的にON-OFF制御することにも成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度の当初の研究計画では、①研究対象となる中性錯体分子結晶の設計・開発.②イオンインターカレーションを介した電子フィリング制御による磁気秩序誘起のex-situ条件下での検出. という二点を目標としていた。研究実績の概要にも示したように、上記二点に関しては、中性錯体分子結晶を設計・開発を行い、これを用いた磁気秩序の誘起にも成功し、狙い通りに目標を達成した。さらに今回、これだけに留まらず、二年目以降に計画していた、Liイオン電池の充放電を行いながら磁化の測定が出来る、in-situセルの開発と、これを用いた充放電に伴う磁気モーメントのON-OFF制御まで実現することに成功しており、当初の予定を上回るペースで順調に研究が進行している。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初予定していた、中性Ru二核錯体に対するLiイオン挿入制御を介した磁性制御（磁気イオン制御）に関しては、想定以上に研究が進み、初年度でin-situ条件下でのON-OFF制御まで達成された。そこで今後は、その他の系においても、同様のアプローチ方法で磁性制御が可能であるか検証を行っていく。具体的には、イオン性Ru二核錯体に対する磁気イオン制御が可能か、TCNQ誘導体以外の架橋配位子を用いた系でラジカルスピンを発生させた場合にも同様に磁気秩序を誘起出来るか、といった点の検証に取り組む。また、分子間距離が長い為、磁気転移温度の上昇が難しい分子性化合物以外の無機化合物にも目を向けることで、より高温（理想的には室温）で磁気スイッチングが可能な系の開拓に向けても研究を推進する。
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