2020 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular Ferroelectric Properties of Dynamical Molecular Assemblies
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19H00886
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
芥川 智行 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (60271631)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
綱島 亮 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (70466431)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 強誘電体 / 強弾性体 / 分子集合体 / ダイナミクス / メモリスタ / イオン変位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子ダイナミクスが共存する分子集合体の分子物性化学の概念を確立するため、プロトン・イオン・分子の運動とバルク分子強物性をつなぐ分子間相互作用を理解し、デバイス応用につなげる事を研究目的とした。分子強物性として、電場－分極ヒステリシス（P－E）に支配される強誘電体、応力－歪みヒステリシス（F－D）による強弾性体、およびイオン変位－電流ヒステリシス（I－V）を示すメモリスタに着目した研究を実施予定である。それぞれの分子強物性に対して、外部刺激である電場や応力に対する出力である双極子反転・ドメイン運動・イオン分極を分子論的に理解し、その分子設計指針の確立を目指した研究を実施した。本年度は、電場－分極ヒステリシス（P－E）に支配される強誘電体に関する検討を中心として、2次元分極反転システムと3次元分極反転システムに関する顕著な研究成果を挙げた。２次元系として非平面π電子化合物であるヘリセン誘導体、3次系としてペロブスカイト型のイオン結晶である(H2HMTA)(NH4)(Br)3の開発に成功した。両研究成果は、それぞれJ. Am. Chem. SocおよびAngew. Int. Ed誌に掲載され高い評価を受けている。また、有機材料の設計自由度の高さを実証し、さらなる分子設計により、優れた残留分局値を示す高密度メモリ材料の開発を実現するための重要な結果である。応力－歪みヒステリシス（F－D）による強弾性体に関しては、三つの異なるメカニズムを有する水素結合性結晶のヒステリシス測定の再現性を確認し、分子間相互作用の強さと次元性と抗応力の層間に関する研究成果がまとまった。さらに、イオン変位－電流ヒステリシス（I－V）を示すメモリスタ材料に関しては、Liイオンを包接した多彩なクラウンエーテル誘導体を導電性の有機材料の中に設計し導入する事に成功した。
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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
2次元分極反転システムである非平面π電子化合物であるヘリセンにアルキルアミド鎖を導入した誘導体に関して、その分子集合体構造、相転移挙動、誘電応答およびP－Eヒステリシス曲線の評価から、2次元水素結合ネットワークの形成と大きな残留分極値の出現を確認した。従来までの水素結合型のカラムナー構造を有する1次元系と比較して、残留分局値の値は5倍以上となり、２次元水素結合ネットワークの協奏的な分極反転が、優れた強誘電パラメータを出現させる起源となった。また、１次元系である強誘電性ピレン誘導体において、非強誘電性ピレン分子との混晶作製から、その相転移挙動、誘電応答と電場－分極曲線の大きさから、分極反転に必要な相関長をナノスケールで解明した。3次元分極反転システムであるペロブスカイト型のイオン結晶を有機材料から創製する事にチャレンジし、共同研究者である綱島により、 (H2HMTA)(NH4)(Br)3結晶（HMTA = ヘキサメチルテトラミン）の開発に成功した。その結晶構造、相転移挙動、誘電物性の詳細な検討から、HMTA分子のダイナミクスが温度により熱励起され、結果、強誘電体－常誘電体相転移を示す事が明らかとなった。
応力－歪みヒステリシス（F－D）による強弾性体に関しては、２次元分子回転型の水素結合結晶であるボロン酸、１次元プロトン移動型のリン酸塩および２次元プロトン移動型オン四角酸の強弾性ヒステリシス曲線の再現性を確認した。それぞれの結晶構造解析から、分子間相互作用の強さと水素結合の次元性がヒステリシス曲線の抗応力に及ぼす効果を分子論的に議論することに成功した。イオン変位－電流ヒステリシス（I－V）を示すメモリスタ材料に関しては、Naイオンを包接した多彩なクラウンエーテル誘導体を導電性のTCNQ結晶の中に設計し導入する事に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
プロトン・イオン・分子の運動が共存したダイナミックな分子集合体の設計から、強誘電性・強弾性・メモリスタに代表される分子強物性を実現し、物理パラメータP－E、F－DおよびI－Vヒステリシスを設計する。分子性強誘電体に関して、これまでに蓄積してきたデータを元に研究を継続する。分子性強誘電体に関しては、「π電子コア＋アルキルアミド鎖」の分子設計により、ベンゼンのp-位にアルキルアミド鎖を置換した誘導体が、固体で強誘電性を示す事を見出している。固相におけるアルキル鎖の部分融解が強誘電性に及ぼす効果を解明するため、鎖長の異なる誘導体を作製し系統的に強誘電体パラメーターの評価を実施する。また、キラルアルキル鎖をベンゼン誘導体に導入する事で、分子集合体の対称性を低下さると同時に一次元水素結合カラムのパッキング様式と分子間水素結合の設計から強物性の制御を試みる。強物性の制御の観点から強誘電性と反強誘電性のベンゼン誘導体の混晶を作製する。強誘電性の一次元水素結合カラム内に反強誘電性分子を導入する事で、分極反転を支配する強誘電性ヒステリシスに及ぼす影響を検討する。
また、I－Vヒステリシスを示すメモリスタ材料に関する研究を進展させる。イオンダイナミクスの設計の観点からLi+(クラウンエーテル)型の超分子カチオンに着目し、導電性のTCNQ塩への導入を試みる。サイズの小さなLi+のイオン変位やイオン輸送と相関する電子伝導性の発現を期待して、相転移挙動・結晶構造・誘電応答・伝導物性に関する評価を試みる。M+とクラウンエーテルのサイズの制御がイオンダイナミクスの実現に重要であると考えられる事から、上記の構造－物性評価を元にしたさらなる分子設計を実施する。
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Research Products
(43 results)
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[Journal Article] Tunnel Magnetocapacitance in Single-layered Fe/MgF2 Granular Films2020
Author(s)
Robin Msiska, Shusaku Honjo, Yuki Asai, Masashi Arita, Atsushi Tsurumaki-Fukuchi, Yasuo Takahashi, Norihisa Hoshino, Tomoyuki Akutagawa, Osamu Kitakami, Masaya Fujioka, Junji Nishii, and Hideo Kaiju
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Journal Title
App. Phys. Lett.
Volume: 116
Pages: 082401-1-5
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] A synthetic ion channel with anisotropic ligand response2020
Author(s)
Takahiro Muraoka, Daiki Noguchi, Rinshi S. Kasai, Kohei Sato, Ryo Sasaki, Kazuhito V. Tabata, Toru Ekimoto, Mitsunori Ikeguchi, Kiyoto Kamagata, Norihisa Hoshino, Hiroyuki Noji, Tomoyuki Akutagawa, Kazuaki Ichimura, Kazushi Kinbara
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Journal Title
Nature Commun.
Volume: 11
Pages: 2924-1-9
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] 磁性薄膜エッジを利用したNi78Fe22/Mq3(M=Al, Er)/Ni78Fe22ナノ接合素子の電気磁気特性2020
Author(s)
千秋賀英子, 佐々木悠馬, 中山雄介, 三澤貴浩, 小峰啓史, 星野哲久, 芥川智行, 藤岡正弥, 西井準治, 海住 英生
Organizer
日本物理学会 2020年秋季大会
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