Creation of low-dimensional magnetism through on-surface chemical reaction

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04821
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 櫻井 亮 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員 (60280731)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 表面化学 / 分子磁性 / 低次元磁性 / 有機金属錯体 / ゆらぎ / モンテカルロ計算 / 自己組織化 / 分子スピン

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、低次元で磁気秩序を生み出す分子スピン集合体の磁性と構造の関係を解明し、創生した機能を応用することにある。ナノシート表面を拡散する分子がナノスケールの構造体を作り電荷移動するメカニズム、100‐500個のほぼ孤立したスピンが近接相互作用する分子磁性の解明は新しい研究分野である。小さなサイズが生み出す大きなゆらぎに対抗して磁気秩序やスピン相関が生まれるメカニズムを探求する萌芽研究である。また、単純な構成であるため、ゆらぎとサイズに起因した機能発現の関係性を調べるモデルシステムでもある。実験面では、表面化学反応によってナノシート上にフェロセン誘導体分子の集合体を自己組織的に成長させ、構造、形状、低次元磁性の関係性を調べること、理論面では、マルコフ連鎖モンテカルロ計算法を用いて実験結果と類似したＦｅイオン配置での磁気エネルギーや個々のスピン配向を計算して、理論と実験の両面から基礎特性の解明を続けている。
孤立した状態では常磁性であるフェロセンユニットが局所的に集まってナノクラスターを形成すると酸化物ナノシートとの間で電荷移動が起こり、鉄のイオン価が＋２から＋３へと変化する。このFeイオンの磁気状態をメスバウワー分光や透磁率の測定結果から解明した。３ｄ電子は高スピン状態(S=5/2)になっている。ナノクラスター内で分子は近接して規則正しく並んでいるため、Ｆｅイオン間に強い磁気双極子相互作用が存在し、スピン相関や遅いスピンダイナミクスなどの新しい機能を生みだしている。表面化学反応による自己組織化成長法をさらに進展させて、分子間の距離や形状を変えたナノクラスターを作成した。これらのナノクラスターでは形状や分子間距離の変化によって制御された機能が現れる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

別のフェロセン誘導体を用いた表面化学反応においても類似したユニークな構造と磁気特性が得られている。
Mathematicaでプログラムしたプログラムも順調に走っており、ナノスケールの磁性を理論と実験の両面から調べる体制が確立したため

Strategy for Future Research Activity

１）有機金属錯体分子の集合体の熱電能特性を調べる
２）化学修飾したナノシートの電気特性や磁気特性を調べる
３）別の酸化物シートを利用した表面化学反応を調べてみる。

Causes of Carryover

測定依頼を予定していた名工大のメスバウワー装置にトラブルがあり、測定が進行しなかった。
電気計測測定用の試料作成用の電子線リソグラフィー装置の担当者がやめたこと、装置の更新のため使えない時期があり、実験の進行が遅れているため。
コロナ自粛期間にあり、出張や装置の見学ができにくい状況であった。本年度は、予算使用の遅れを取り戻せると考えている。