Design and Synthesis of Magnetic Semiconductor Based on pi-Conjugated Polymers Containing Spin Localized Nitroxide Unit

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K05609
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 35010:Polymer chemistry-related
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: YOSHIOKA Naoki 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30222392)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ニトロキシド / 電子機能 / 構造磁性相関 / 有機結晶 / 分子磁性 / スピン整列 / チオフェン / π共役系

Outline of Final Research Achievements

In the present study, design and synthesis of molecular functional materials exhibiting magnetic semiconductor by constructing molecular systems in which localized and non-localized spin centers coexist. Tetramethylpyrrolinoxyl was selected as the localized spin center, and after fusing it with an oligothiophene skeleton, ion radical species were generated, and their magnetic properties were physiochemically investigated.
The chemical stability of the products strongly depended on the type of substituent of the oligothiophene skeleton. Spin exchange between localized and nonlocalized radicals was observed in the solution ESR spectra before and after ion radical generation, but in the solid state, strong antiferromagnetic interactions between ion radicals became dominant, and only magnetic properties derived from localized spin centers were observed.

Free Research Field

有機機能材料化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

導電性プラスチックなどの材料は既に実現しているが、磁石になる有機材料の開発は発展途上である。このような材料では、電荷やスピンが自由電子のようなはたらきをしている。この研究では、分子の中で孤立した不対電子をもつ骨格を含む系に電荷とスピンを発生させ、どのような電子的な変化が現れるか検討した。電荷とスピンを化学的に発生させた状態の安定性は、分子の化学構造に大きく依存することが明らかとなった。溶液状態では、不対電子間に磁気的な相互作用が見られたが、固体状態にすると孤立した不対電子のみの挙動に変化した。自由電子的に振る舞う電荷とスピンの状態を今後改良し、導電性の有機磁性材料が実現することが期待される。