2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of molecular spintronics materials based on organic magnetic conducting devices
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18H01950
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
西川 浩之 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (40264585)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
志賀 拓也 筑波大学, 数理物質系, 助教 (00375411)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 磁性伝導体 / TTF-金属錯体 / 有機デバイス / 電界効果トランジスタ / 発光デバイス / 分子スピントロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子内に常磁性スピンを組み込んだ分子性磁性伝導体を用いた電界効果トランジスタなどの有機薄膜デバイスを作製し，外部磁場や円偏光に応答するデバイスの開発を目的としている。初年度は既に合成に成功しているTTF-金属錯体である[Cu(EDT-sae-TTF)2]の磁性と伝導性の相互作用を明らかにすることを目的として，中性錯体[Cu(EDT-sae-TTF)2]およびラジカル塩[Cu(EDT-sae-TTF)2]PF6のESR測定を行った。測定は単結晶試料を用い，X-bandで15～300 Kの温度範囲で行った。角度依存性は単結晶の外形に対してすべての軸の周りについて0～180°回転して測定した。中性錯体では板状単結晶の面外に対して外部磁場を回転させたところ，面に垂直に磁場を印加した場合，Cu(II)イオンに特有の４本に分裂した超微細結合が観測された。外部磁場が面内に印加された場合，分裂は見られず１本のブロードなシグナルが観測された。得られたシグナルからg-テンソルを解析したところ，gxx=2.2008，gyy=2.19774，gzz=2.04429が得られた。ラジカル塩の測定ではｄスピンに由来するピークとπ電子に由来するピークが観測され，150K付近からそれらピークの間にｄスピンとπ電子間の交換相互作用によるシグナルが新たに観測された。このシグナルが現れる温度は絶縁化しπ電子が局在し始める温度と一致していた。以上のことから，磁性と伝導性の間に相互作用があることを確かめることができた。また，中性錯体およびラジカル塩についてDFT計算を行い，交換相互作用の大きさを見積もったところ，約2Kと非常に小さな値であった。磁性と伝導性間の相互作用を増大させるために，常磁性金属への配位部位とTTF部位が同一平面になるTTF-金属錯体[Cu(TTF-salphen)]とそのラジカル塩の合成を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度はこれまでに合成に成功している磁性伝導体である[Cu(EDT-sae-TTF)2]の磁性と伝導性の相互作用を解明するため，中性錯体[Cu(EDT-sae-TTF)2]およびラジカル塩[Cu(EDT-sae-TTF)2]PF6のESR測定を行った。実験データをサポートするためDFTによる量子科学計算を行い，ｄスピンとπ電子間の交換相互作用の値を見積もった。[Cu(EDT-sae-TTF)2]のスピンコート膜を半導体活性層に用いた電界効果トランジスタ(FET)の作製は既に成功しており，FET応答も確認している。初年度は設置済みの真空プロ―バーにマグネットを導入し，磁場下でのFET応答を測定する予定であったが，キラリティを導入したキラル伝導体が凝集状態（薄膜）で発光することを確認するため，マルチチャネル分光器を購入し，また薄膜形成を真空蒸着法で行うため，既存の真空蒸着装置に膜厚計を設置したため，マグネットの導入が遅れてしまった。しかし，TTF-金属錯体の磁性－伝導性間の相互作用の解明や，本研究の目的の一つである発光材料の開発に着手することができた。また，磁性－伝導性間の相互作用を増大させるため，常磁性金属配位部位とTTF部位が同一平面に存在する新しいTTF-金属錯体の合成にも成功した。構造解析の結果平面性がかなり高い物質であることが明らかとなった。さらにこの錯体のラジカル塩[Cu(TTF-salphen)]PF6の作製にも成功し，TTF-金属錯体としては非常に高い電気伝導度を示すことを明らかにしている。この錯体も中性錯体であることから，スピンコート法による製膜だけでなく，真空蒸着法による薄膜作製も可能であると考えられる。以上，磁場下での測定はできなかったものの，より伝導性が高い錯体や発光材料の開発に成功していることから，自己評価はおおむね順調に進展しているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度はTTF-金属錯体[Cu(EDT-sae-TTF)2]における磁性－伝導性間の相互作用の解明，より強い相互作用が期待できる新規錯体[Cu(TTF-salphen)]の合成，凝集誘起円偏光発光を示すキラル伝導体の開発に成功した。今後引き続き，以下の研究を推進する予定である。[Cu(EDT-sae-TTF)2]のスピンコート膜がFET応答することは既に明らかにしている。磁性－伝導性間に相互作用が存在することが明らかになったことから，このTTF-錯体の薄膜デバイスの磁場下でのFET応答を測定する。そのために次年度初頭に真空プロ―バーに装着可能な電磁石を購入する。平面性が高い新規錯体[Cu(TTF-salphen)]は，そのラジカル塩が高い電気伝導性を示すことを明らかにした。今後この錯体の磁化率，ESR測定を行い磁気的性質および磁性－伝導性間の相互作用の解明を行う。またこの錯体も中性錯体であることから薄膜化を行う。この錯体はTTF部位と常磁性金属イオンがTTFに縮環したsalphen骨格で連結していることから，真空蒸着による製膜が期待できる。今年度改良した真空蒸着装置を用いて薄膜化を試みる。薄膜を用いてFETデバイスを作製し，無磁場下および磁場下でのFET応答を測定する。凝集誘起円偏光発光を示すキラル伝導体は薄膜状態で分子間の相互作用によるキラリティーが発現し，その結果円偏光を発光することを明らかにした。この分子を発光層に用いた有機ELデバイスを作製し，電界発光の観測にも成功している。円偏光発光デバイスは無機スピントロニクスデバイスで報告されており，その知見から，スピン偏極電流の利用が円偏光特性を増強するという考えに至った。そこで電子およびホール輸送層，発行層ホストにキラルな材料を用いたデバイスを作製する。各層の材料の組み合わせだけでなくキラリティーの組み合わせも検討する。
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