分子性強誘電体のイノベーション：柔粘性結晶を利用した高性能焦電・圧電材料の開発

• 研究課題/領域番号: 19H00884
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分32:物理化学、機能物性化学およびその関連分野
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 原田 潤 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (00313172)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 45,630千円 (直接経費: 35,100千円、間接経費: 10,530千円); 2022年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円); 2021年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円); 2020年度: 13,130千円 (直接経費: 10,100千円、間接経費: 3,030千円); 2019年度: 16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円)
• キーワード: 分子性固体

研究開始時の研究の概要

我々は最近，柔粘性結晶で強誘電性を示す化合物群を開発し，それらの結晶が電場印加により分極方向を三次元的にほぼ自由に変更できることを明らかにした．この新しいタイプの強誘電結晶は，結晶化時の配向制御は不要で，多結晶材料でも活用できる．本研究はこの柔粘性/強誘電性結晶の開発を大きく発展させる．特に，強誘電体の示す重要な機能である焦電性・圧電性に関して，極めて高い性能を示し，多結晶体でも機能する分子結晶の開発を行う．

研究成果の概要

我々は既に柔粘性/強誘電性結晶という新しいタイプの分子性強誘電体を開発している．このタイプの結晶は，高温の柔粘性結晶相が立方晶系の構造を持つため，多結晶体でも強誘電体として機能する．本研究では，この柔粘性/強誘電性結晶の開発を更に進め，新しい強誘電結晶を数多く開発した．それにより，低い電場で分極反転する結晶，非常に高い焦電性や圧電性を示す結晶，融解により様々な形状に加工可能な結晶の開発などに成功した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

現在広く用いられている高性能なセラミクス強誘電体の多くは有毒な鉛を含むため，その代替材料の開発が強く求められている．本研究で開発した柔粘性/強誘電性結晶は，粉末を固めた多結晶体で強誘電性を示すという，従来の分子性強誘電結晶では不可能な特性を実現している．そして，非常に低い電場で分極反転可能な結晶の開発に成功し，多結晶体での様々な活用が可能となっている．また，融解加工により様々な形状に加工できる結晶の開発にも成功している．

研究成果

• [国際共同研究] ケンブリッジ大学/バース大学(英国)
• [雑誌論文] Intersecting multiaxial domain walls in plastic ferroelectric crystal films (2023)
  • 著者名/発表者名: Uemura Yohei、Matsuoka Satoshi、Arai Shunto、Harada Jun、Hasegawa Tatsuo
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 7 号: 3 ページ: 035601-035601
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.035601
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroelectric Ionic Molecular Crystals with Significant Plasticity and a Low Melting Point: High Performance in Hot-Pressed Polycrystalline Plates and Melt-Grown Crystalline Sheets (2022)
  • 著者名/発表者名: J. Harada, H. Takahashi, R. Notsuka, M. Takehisa, Y. Takahashi, T. Usui, and H. Taniguchi
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 62 号: 3
  • DOI: 10.1002/anie.202215286
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroelectric Ionic Molecular Crystals with Significant Plasticity and a Low Melting Point: High Performance in Hot‐Pressed Polycrystalline Plates and Melt‐Grown Crystalline Sheets (2022)
  • 著者名/発表者名: Harada Jun、Takahashi Haruka、Notsuka Rin、Takehisa Mika、Takahashi Yukihiro、Usui Tomoyasu、Taniguchi Hiroki
  • 雑誌名: Angewandte Chemie 巻: 135 号: 3
  • DOI: 10.1002/ange.202215286
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plastic/Ferroelectric Crystals with Distorted Molecular Arrangement: Ferroelectricity in Bulk Polycrystalline Films through Lattice Reorientation (2022)
  • 著者名/発表者名: Harada Jun、Takehisa Mika、Kawamura Yuto、Takahashi Haruka、Takahashi Yukihiro
  • 雑誌名: Advanced Electronic Materials 巻: － 号: 6 ページ: 2101415-2101415
  • DOI: 10.1002/aelm.202101415
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stabilization of Interfacial Polarization and Induction of Polarization Hysteresis in Organic MISIM Devices (2021)
  • 著者名/発表者名: Yokokura Seiya、Tomimatsu Akihiro、Ishiguro Jun、Harada Jun、Takahashi Haruka、Takahashi Yukihiro、Nakamura Yuto、Kishida Hideo、Suizu Rie、Matsushita Michio M.、Awaga Kunio
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 13 号: 27 ページ: 31928-31933
  • DOI: 10.1021/acsami.1c08417
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge injection phenomena at the contact interface between (5,10,15,20-tetramethylporphyrinato)cobalt(<scp>ii</scp>) and 2,5-difluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane single crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Yukihiro、Ishida Kenshiro、Matsuno Sarasa、Kurokawa Masashi、Shimada Takuro、Harada Jun、Inabe Tamotsu
  • 雑誌名: CrystEngComm 巻: 23 号: 22 ページ: 3975-3980
  • DOI: 10.1039/d1ce00299f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plastic/ferroelectric molecular crystals: Ferroelectric performance in bulk polycrystalline forms (2021)
  • 著者名/発表者名: Harada Jun
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 9 号: 2 ページ: 020901-020901
  • DOI: 10.1063/5.0039066
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electric and Thermosalient Properties of a Charge-Transfer Complex Exhibiting a Minor Valence Instability Transition (2020)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Yukihiro、Kondo Tsubasa、Yokokura Seiya、Takehisa Mika、Harada Jun、Inabe Tamotsu、Matsushita Michio M.、Awaga Kunio
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 20 号: 7 ページ: 4758-4763
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.0c00516
  • 査読あり
• [雑誌論文] Incorporating Spacer Molecules into the Tetrathiafulvalene?p-Chloranil Charge-Transfer Framework: Modulating the Neutral?Ionic Phase Transition (2020)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Yukihiro、Takehisa Mika、Tanaka Eri、Harada Jun、Kumai Reiji、Inabe Tamotsu
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 11 号: 4 ページ: 1336-1342
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b03847
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulation Study of the Plastic/Ferroelectric Crystal Quinuclidinium Perrhenate (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoneya Makoto、Harada Jun
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 号: 3 ページ: 2171-2177
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b09559
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plastic/Ferroelectric Crystals with Easily Switchable Polarization: Low-Voltage Operation, Unprecedentedly High Pyroelectric Performance, and Large Piezoelectric Effect in Polycrystalline Forms (2019)
  • 著者名/発表者名: Harada Jun、Kawamura Yuto、Takahashi Yukihiro、Uemura Yohei、Hasegawa Tatsuo、Taniguchi Hiroki、Maruyama Koji
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 141 号: 23 ページ: 9349-9357
  • DOI: 10.1021/jacs.9b03369
  • 査読あり
• [学会発表] Development of Plastic/Ferroelectric Ionic Molecular Crystals (2023)
  • 著者名/発表者名: Jun Harada
  • 学会等名: 9IDMRCS 9th International Discussion Meeting on Relaxations in Complex Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 柔粘性を示すイオン性分子強誘電結晶の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 原田 潤，髙橋大空，能塚 凜，竹久美佳
  • 学会等名: 第17回分子科学討論会2023大阪
• [学会発表] 柔粘性/強誘電性分子結晶の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 原田 潤
  • 学会等名: 第70回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Development of Plastic/Ferroelectric Ionic Molecular Crystals (2022)
  • 著者名/発表者名: Jun Harada
  • 学会等名: ISOME2022 12th International Symposium on Organic Molecular Electronics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 柔粘性/強誘電性結晶の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 原田 潤，髙橋大空，竹久美佳，高橋幸裕
  • 学会等名: 第16回分子科学討論会2022横浜
• [学会発表] Development of Plastic/Ferroelectric Molecular Crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: Jun Harada
  • 学会等名: 68.MRM2021 Materials Research Meeting 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 柔粘性/強誘電性分子結晶の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 原田 潤
  • 学会等名: 67.日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 柔粘性/強誘電性イオン結晶の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 原田 潤，川村勇人，高橋幸裕
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会2019名古屋
• [備考] 柔らかくて高性能な強誘電分子結晶の開発に成功～環境に優しい非鉛センサー材料として期待～
  • URL: https://www.hokudai.ac.jp/news/2019/06/post-539.html
• [産業財産権] 含窒素化合物，多結晶成形体及び多結晶薄膜 (2019)
  • 発明者名: 原田 潤
  • 権利者名: 国立大学法人北海道大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2019