| 研究領域 | 分子アーキテクトニクス：単一分子の組織化と新機能創成 |
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| 研究課題/領域番号 |
25110005
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
米田 忠弘 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (30312234)
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| 研究分担者 |
道祖尾 恭之 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (10375165)
高岡 毅 東北大学, 多元物質科学研究所, 講師 (90261479)
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| 研究期間 (年度) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| キーワード | 分子磁石 / 近藤効果 / 単一分子磁石 / 磁気抵抗素子 |
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| 研究実績の概要 |
本領域では単一分子単位の電気伝導を用い、特にそのゆらぎを活かした新しい分子デバイスの作成を目指すものである。本グループはA02班として、分子の組織化とそれによる機能創製の土台となる表面の設計と計測・物性制御が目標であり、特に単一分子で磁石の性質を示す単一分子磁石に注目し、新奇な量子効果の物理化学的な学理探求と、応用につながるスピンを用いた電気伝導制御を目指す。
本年度は磁気異方性エネルギーを直接測定するスピン偏極走査型トンネル顕微鏡の開発を中心に行った。ここでは金 (111) 表面にコバルト 2層の島を成長させそれを スピン偏極STM（SP-STM） をもちいて磁気異方性エネルギーを求めた。
金 (111) 表面にコバルト 2層膜は強磁性的に振る舞い表面垂直方向に容易軸を持つ。コバルトの単一原子を探針上に移動させることにより、常磁性特性を持つスピン偏極探針を作成する。外部磁場によって探針のスピンを上向き下向き報告に制御した後、それぞれのスピン偏極探針を用いて、強磁性のコバルト島についての測定を行う。探針とコバルト島のスピンが平行・半平行かによってトンネル電流における微分コンダクタンスに変化が生じることを利用して、コバルト島のスピン方向を決定することが出来る。また外部磁場を変化させることによりコバルト島の磁性方向の回転を磁場の関数として求めることが出来る。結果として、ナノスケールの実空間観測が可能であるから、コバルト島のサイズの関数として反転磁場を求めることが出来、コバルト単一原子あたりの磁気異方性エネルギーを求めることに成功した。また、前年までに得られたスピン挙動をデバイス動作で実証する研究を進め、MoS2電界効果型トランジスタ（FET） を用いた分子検出に関する研究を行った。単層MoS2を用いたFETデバイスの作成に成功し、単一分子磁石を吸着したFET挙動の測定に成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
また、化学反応を用いない完全電気応答による高速・高感度分子検出を目指して、 MoS2 FET を用いた分子検出に関する研究を行った。MoS2はグラフェンと同じく二次元の層状構造を持った物質であり、グラフェンとは異なりバルクでも半導体の性質を示す。単原子層の FET デバイスを作成することで、従来の FET デバイスに比較して、チャンネル部分の表面積と厚さの比が圧倒的に増大し、チャンネル部分における分子吸着が FET 特性に大きな影響を及ぼす。デバイスの作成には内藤グループとの連携で、つくば物材機構の施設を用いた。MoS2FETの作成に成功し電界効果移動度は 50.9 cm2/Vs を得た。分子吸着実験では、脳内情報伝達物質として注目される Dopamine および関連物質である Ascorbic acidについて分子吸着を行い、それらに伴う電気特性の変化とその違いを観測した。 Dopamine 吸着における電気特性変化として、 ID-VG 特性のネガティブシフトが観測され、 MoS2FET 電気伝導測定を用いる分子検出の可能性を示した。
また、コバルト島についての実験は、微小化するナノ構造における磁気異方性エネルギーを正確決定でき、磁気メモリーの微細化においてもまた基礎科学的にも重要なデータである。単一コバルト原子あたりの磁気異方性エネルギーを正確に決定することが出来た。この結果は精密な理論計算と比較することで真に有用なデータとして活用することが出来る。公募班である三重大・中村グループ は磁気異方性エネルギーの計算において世界をリードする精度のシミュレーションを報告している。H27年度には、密接な連絡と結果に関する議論を行い、満足するモデルを構築する事ができ、発表のために論文を準備している。領域の連携が強力であったため、理論と実験が高度に結びついた結果が得られたと考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度以降、H27年度に整備したスピン偏極STMを単一分子磁石をに適用し研究を進める。磁性探針と磁性基板の間のトンネルギャップ に挿入し、トンネル電流の磁場依存性、すなわち TMR （tunneling magneto resistance ）をdI/dV 曲線から見積もる実験を行う。探針に Cr 探針を用い、金基板上に蒸着で成長させた Co(111) 基板を標準のスピン偏極した基板として用いその残留磁場分極に由来する、バタフライ形状のトンネル磁気抵抗の挙動によって探針のスピン偏極特性を特定する。単分子磁石の TMR 挙動の報告例はほとんど無く、世界に先駆けた研究となる。同時に、高い合成技術をもつ A01 班メンバー、小川 (阪大 ) グループから新奇単一分子磁石、 宇野 ( 愛媛太 ) 、家( 阪太 )グループ から外部刺激反応型分子、およびフォトクロミック・エレクトロクロミック分子の提供を受け、表面界面での分子スピン挙動をさらに多角的に調べる。特に、小川グループからは水素化された多層ポルフィリン錯体が単一分子磁石の性質を失うことを利用し、STMで脱水素化することでスピンのスイッチを行った実験を行ったが、さらに高度な分子合成により、水素の脱離だけでなく、吸脱着の両方向で可能な分子を用いたスピン制御を目論む。同時に前年度までの新しく整備した高周波信号検出 STM を用いた実験 を行う。外部マイクロウエーブ信号をケーブルによって試料に導入し、そのエネルギーとスピンの励起エネルギーが一致したとき分子が励起状態に置かれるときトンネル電流に変化が生じる。この現象は核スピンにも適用可能性があり、電子スピンによるラジカル種の化学分析に加えて、単一分子スピン分析の測定対象を大きく増加させると予想される。
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