単分子誘電物性の構造学的解明と新規物質群開拓

• 研究課題/領域番号: 19H02799
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分36010:無機物質および無機材料化学関連
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 西原 禎文 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 教授 (00405341)
• 研究分担者: 戸川 欣彦 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00415241) ; 帯刀 陽子 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (30435763) ; 久保田 佳基 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (50254371) ; 石橋 広記 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (70285310) ; 綱島 亮 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (70466431)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2021年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2020年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2019年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
• キーワード: 単分子誘電体 / 単分子 / 強誘電 / メモリ / ヒステリシス / 自発分極

研究開始時の研究の概要

我々はこれまでに，単一分子で強誘電的な物性を示す「単分子誘電体」の存在を実証し，学術的・産業的に多くの注目を集めた。しかし，物性発現の根幹である「構造」と「分極」の相関が完全に解明されておらず，解決するべき学術的「問い」として残されている。この課題を解決する為，本研究では，様々なアプローチから「単分子誘電物性」の構造学的解明を図る。更に，この結果を分子設計指針に取り入れ，新たな物質群の開拓を目指す。

研究成果の概要

我々はこれまでに，単一分子で強誘電体特有の分極ヒステリシスや自発分極を示す「単分子誘電体」の開発に成功している。しかし，「単分子誘電物性」の起源である「構造」と「分極」の相関が完全に解明されていない為，新規物質群開拓に繋がる分子設計の指針が立たない状況にあった。そこで，本研究では構造学的な見地から「単分子誘電物性」を理解し，この結果を基に新たな物質群の開拓を目指した。その結果，新たに２３種類の「単分子誘電体」を発見した。その中には，イオン移動機構を複数有する物質や，イオン移動方向が二次元性をもつ物質など，「単分子誘電体」の可能性を広げる物質群の開発に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

一般的に強誘電体は結晶内の分極が長距離に渡って配向し，それが電場によって反転する物性を指す。従って，強誘電性は結晶構造由来のバルクの物性と考えられてきた。しかし，我々が開発した「単分子誘電体」は，一分子で強誘電体に特徴的な分極ヒステリシスや自発分極を示す新しい物質群と位置付けられる。例えばこの物質をメモリ材料として用いた場合，単一分子メモリに繋がることが期待され，これが実現した場合，従来の記録密度限界の１０００倍以上の記録密度をもつと理論的に見積もられている。従って，当該物質の基礎的な学理構築は学術的な意義に留まらず，産業的にも重要である。