2020 Fiscal Year Research-status Report
金属含有磁性炭素シートのナノアーキテクトに関する研究
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19K05245
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
本多 善太郎 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (30332563)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 炭素物質 / 磁性 / フタロシアニン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁性炭素シートは炭素シートの優れた電子物性にスピン源が加わることにより次世代スピントロニクス材料として有望視されているが、その多くはバンド計算におけるモデル化合物にとどまり、物質合成に至った例は少ない。本研究では有機分子や錯体をビルディングブロックとしたナノアーキテクト的手法によりスピン源が均一分散した磁性炭素シートの合成法を確立することを目指している。昨年度に引き続き１．ビルディングブロックに平面金属錯体を用いた磁性炭素シート及び２．ビルディングブロックに平面有機分子を用いた磁性炭素シートの探索と合成及びその磁性増強を行った。１．では塩素化フタロシアニンと金属粉を高温で加熱することにより、フタロシアニンの分子構造が保持された磁性炭素シートが生成することを明らかにした。この磁性炭素シートは金属イオンが均一分散しているため常磁性を示すが、過剰なコバルトイオンをシート内に取り込み強磁性を発現すことを明らかにした。２．ではシアノベンゼンなどの平面有機分子をビルディングブロックに選定し、金属塩との反応を試みた。その結果、炭素を主成分とするリボン状ポリマー形成の可能性が示された。このリボン状ポリマーは伸長方向に等間隔に磁性金属が配置していることから磁性と電気伝導特性の関係に興味がもたれる。さらに、各種平面有機分子と金属塩を比較的低温で加熱した場合、有機と無機シートが交互に積層した有機無機複合物質や有機分子により橋掛け配位された金属イオンが1方向に伸長した配位ポリマーが生成し、それらが磁気異方性、巨大保磁力、強磁性を示すことを明らかにした。本年度の研究により、磁性原子が均一分散した新規磁性炭素シートと有機無機複合物質を複数見出し、その構造と磁気特性を明らかにした。今後、これらの物質の電気伝導性と磁性の調査を行い、スピントロニクス材料への適用可能性を検討する。
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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
昨年度に引き続きスピン源となる遷移金属原子が均一分散した磁性炭素シートの合成法の確立を目的として、各種フタロシアニン誘導体、及び各種芳香族誘導体と金属塩の反応を探索し、その一部に関して構造と磁性の関係を調査した。また、磁性炭素シートへの金属イオン添加による磁性増強を検証した。
１．ビルディングブロックに平面金属錯体を用いた磁性炭素材料の探索と合成を行った。平面金属錯体に塩素化フタロシアニン、カップリング材に金属粉を用いて各種条件下で真空中加熱したところ、炭素を主成分とした黒色の物質が生成した。Ｘ線回折法、X線光電子分光法によりその構造を調べたところ、フタロシアニン分子が平面状に伸展した多孔質炭素シートであることを明らかにした。さらに、ビルディングブロックに用いたフタロシアニンの塩素量に応じて異なる構造の炭素シートが生成していることを各種試料のX線回折パターンの比較により明らかにした。これらの多孔質炭素シートは常磁性を示したが、過剰なコバルトイオンを物質内に取り込ませることで、強磁性を示し、磁性を増強できることを明らかにした。
２．ビルディングブロックに平面有機分子を用いた磁性炭素材料の探索と合成を行った。有機ビルディンググロックに平面芳香族分子であるシアノベンゼンとアミノピリジンを選定し、金属塩と反応させたところ、黒色の反応生成物が得られた。Ｘ線回折法によりその構造を調べたところ、ヘミポルフィラジン分子が１方向に伸長したリボン状のポリマーの生成を示唆する結果が得られた。このリボン状ポリマーは磁性金属を含有していることから磁性と電気伝導特性の関係に興味がもたれる。また、桂皮酸やスルホ安息香酸と金属塩の反応により、巨大保磁力を示す２次元有機無機複合物質や強い磁気異方性を有する１次元配位ポリマーを得た。特に2次元有機無機複合物質はその剥離により磁性炭素シート生成の可能性が考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究成果を受けて2021年度は以下の研究を推進する。１．フタロシアニン基磁性炭素シートの構造解析と磁性、電気伝導性解明。X線回折法、X線光電子分光法、透過型電子顕微鏡を用いてこれまでに発見したフタロシアニン基磁性炭素シートの構造解析を進める。さらにその磁気特性と電気伝導特性を調査し、磁性炭素シートに含有される金属種、金属量、フタロシアニン分子の重合形式との関係を明らかにすることを目標とする。特に磁性炭素シートの磁性と電気伝導性の関係を調査し、スピントロニクス材料への適用可能性を明らかにする。２．ヘミポルフィラジン基磁性炭素リボンの構造解明と磁性、電気伝導性の解明。テトラシアノベンゼンとジアミノピリジンと金属塩の反応により、フタロシアニンと類似構造をもつヘミポルフィラジン磁性炭素リボン形成の可能性が昨年度の研究により示された。そこで反応条件を精査することでその生成条件を調査し、X線回折法や、X線光電子分光法、透過型電子顕微鏡を用いてヘミポルフィラジン磁性炭素リボンの構造解析を進める。さらに、その磁性と電気伝導性を測定し、スピントロニクス材料への適用可能性を調査する。３．2次元有機無機複合物質の構造解明と磁性の解明及び剥離による磁性炭素シートの構築。これまでの研究で見いだされた巨大保磁力を示す新規有機無機層状物質に関してその構造と磁性の詳細を調査し、巨大保磁力の原因を明らかにすることを目指す。また、磁性イオンを含む無機層の剥離を化学的手法、物理的手法により試み、有機無機層状物質から磁性炭素シートの構築が可能か調査する。
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