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希土類イオンの価数変化と価数揺動を利用する高速スピン制御単分子磁石の機能開拓

研究課題

研究課題/領域番号 21K05010
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分32020:機能物性化学関連
研究機関城西大学

研究代表者

加藤 恵一  城西大学, 理学部, 准教授 (80374742)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2025年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
キーワード単分子磁石 / 軽希土類 / セリウムイオン / 混合原子価 / 単結晶 / 酸化還元 / 希土類イオン / 価数揺動
研究開始時の研究の概要

本研究課題では、単分子磁石(Single-Molecule Magnet = SMM)の希土類イオンの価数変化および価数揺動に伴う磁気特性制御に注目した。SMMは、配位子場制御された一軸磁気異方性によって分子一つが磁石として振舞う金属錯体化合物群である。また、SMMは数ナノサイズの磁石であるため超高密度磁気記録デバイスとしての利用が期待されている。申請者は、セリウム(Ce)イオンが3価(4f1:常磁性)と4価(4f0:反磁性)が安定に存在できることから酸化還元に伴う磁気制御に注目した。希土類金属のイオンサイズ/価数変化/価数揺動を利用する新たなSMM機能開拓にチャレンジする。

研究実績の概要

単分子磁石(SMM)とは分子全体で磁化が揃う古典磁石とは違い、一分子のみで磁石として振る舞う物質群であり、今後高密度情報デバイスなどへの応用が期待されている。SMMをスピンデバイスへ応用するためには単分子スケールでのスピンの可逆的制御が必要不可欠である。そうした課題の解決に向けて様々な手法によるSMMとnon-SMM間のスイッチングが報告されているが、非磁性体からSMMへのスイッチングへの報告が非常に少ない。本研究では、非磁性体Ce(Ⅳ)-フタロシアニン二層積層型単核錯体(CePc2)を化学的に還元しCe(Ⅲ)錯体とすることでSMM挙動を観測した。その一方、錯体の構造と磁気性能の因果関係の解明や、電気化学的に安定な還元体単離など未解決部分も多い。本年度はCePc2の片方をテトラフェニルポルフィリナト(TPP)に変えたヘテロ積層型Ce(Ⅳ)錯体Ce(Pc)(TPP)(中性体)を還元し、CePc2と比較しつつ構造と磁気特性の相関を明らかにすることを目的とした。Ce(Ⅳ)(TPP)(Pc)還元体の単結晶を作製し構造解析を行ったところ、カウンターイオンが欠落していた。各種分光スペクトルからこの結晶がCe(IV)とCe(III)の混合状態であることが判明した。直流磁気測定の結果からもCeイオンの混合状態が示唆された。現状、完全還元体Ce(III)が得られていないためCe(III)イオンの配位環境の解明は今後の課題である。SMM特性の評価は次年度以降実施していく予定である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

初年度の新型コロナウイルス感染症に伴う行動規制のため研究が予定から遅れている。徐々に研究は進んでいるが、現状はやや遅れている。

今後の研究の推進方策

本研究課題では、軽希土類単分子磁石(SMM)の価数変化および価数揺動に伴う磁気特性制御に注目している。本年度、新たな知見としてCe(III)/Ce(IV)の混合酸化状態の単結晶を得ることにとに成功した。今後は、Ce(III)/Ce(IV)の混合酸化状態の磁気特性を明らかにする。また、Ceイオンが3価(4f1:常磁性)の還元体を合成単離し、磁気特性評価および単結晶構造解析から中心Ceイオンの配位環境を調べ、構造と磁気特性の相関を明らかにする。単結晶および固体状態における電気化学測定の手法を確立したので、次年度以降Ce錯体に適用していく予定である。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件)

  • [雑誌論文] Spin dynamics phenomena of a cerium(<scp>iii</scp>) double-decker complex induced by intramolecular electron transfer2024

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Kana、Suzuki Michiyuki、Sato Tetsu、Horii Yoji、Yoshida Takefumi、Breedlove Brian. K.、Yamashita Masahiro、Katoh Keiichi
    • 雑誌名

      Dalton Transactions

      巻: - 号: 28 ページ: 11664-11677

    • DOI

      10.1039/d4dt00436a

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ligand Rotation Induced Oxidation State Change and Spin Appearance of the Bis(phthalocyaninato)cerium (CePc<sub>2</sub>) Molecule on the Au(111) Surface2022

    • 著者名/発表者名
      Saiful Islam、Hossain Mohammad Ikram、Katoh Keiichi、Yamashita Masahiro、Arafune Ryuichi、Fakruddin Shahed Syed Mohammad、Komeda Tadahiro
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 126 号: 40 ページ: 17152-17163

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c04234

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 擬一次元フタロシアニン希土類錯体のフィリング制御と広帯域反射スペクトルによる電子状態変化の解析2023

    • 著者名/発表者名
      佐藤鉄, 史一聡, 郭紫荊, 久保哲士, 髙村直幹, 宮本辰也, 高石慎也, 山下正廣, 加藤恵一, 岡本博
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Challenge to continuous filling control using phthalocyanine complexes and crystals2022

    • 著者名/発表者名
      Tetsu Sato, Brian K. Breedlove, Shinya Takaishi, Masahiro Yamashita, Keiichi Katoh
    • 学会等名
      第15回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 反射スペクトル測定によるフタロシアニン希土類錯体のフィリング制御の研究2022

    • 著者名/発表者名
      佐藤鉄、郭紫荊、宮本辰也、高石慎也、山下正廣、加藤恵一、岡本博
    • 学会等名
      日本物理学会 2022 秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Challenge to continuous filling control using phthalocyanine complexes and crystals2021

    • 著者名/発表者名
      佐藤鉄、B.K.Breedlove、高石慎也、山下正廣、加藤恵一
    • 学会等名
      錯体化学会討論会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] フタロシアニン錯体単結晶を用いたイオン挿入挙動の解明2021

    • 著者名/発表者名
      佐藤鉄、B.K.Breedlove、高石慎也、山下正廣、加藤恵一
    • 学会等名
      分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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