電子移動型分極制御物質の開発

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00385
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 佐藤 治 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (80270693)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 電子移動

研究実績の概要

これまで多くの強誘電体が開発されてきた。しかし、協同現象である強誘電相転移を示す物質を分子設計に基づいて合理的に開発することは容易ではない。また、強誘電相転移温度を自在に制御することも難しい。このため、設計性に優れた新たな手法による分極制御物質の開発が期待されている。我々は、分子内電子移動の設計と分子配向制御を組み合わせる物質設計手法を提案し、強誘電相転移に依らない新しい分極制御物質の開発を行っている。分子レベルでの設計に基づくボトムアップのアプローチであるため、設計の幅が広く多様な分極制御物質の開発が可能である。また、電子移動が分極制御の機構であるため、電子の特性を生かした機能設計が可能である。本研究ではスピン転移と電子移動が逐次的に起こる[FeCo]複核錯体の分極スイッチング特性を検討した。[FeCo]複核錯体は[CrCo]錯体と同形であり、極性構造（空間群P21）を有する。 [FeCo]錯体は、結晶中でb軸方向に配向している。[FeCo] 錯体は約90 KでFe3+がスピン転移を示した。スピン転移はメスバウアースペクトルの測定でも確認できた。スピン転移に伴う分極変化を評価するために[FeCo] 錯体の単結晶を用いて焦電測定を行ったところスピン転移温度付近で焦電流が観測され、90 Kにおける焦電係数（ｐ）の値は約30 nC cm-2 K-1であった。この結果より、[FeCo] 錯体結晶がスピン転移をメカニズムとしたマクロな分極変化を示すことが分かった。120 Kまでの電流の積分値から分極の変化は約0.48uCcm-2と求められた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究では、スピン転移により電気分極が可逆に変化する新しい分極制御物質を開発できることを示した。また、研究成果を論文として発表することができた。これまでの古典的なイオン変位や分子配向変化に基づく分極変化と異なり、電子分極の変化を利用しているため、電子の特徴を生かした様々な分極制御物質の開発が可能である。研究はおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

スピン転移は温度のみならず光照射によって制御できる可能性がある。光誘起スピン転移によって分極機能を制御できる複核錯体を開発する。

研究成果

• [雑誌論文] Manipulating electron redistribution to achieve electronic pyroelectricity in molecular [FeCo] crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: Pritam Sadhukhan, Shu-Qi Wu, Jeremy Ian Long, Takumi Nakanishi, Shinji Kanegawa, Kaige Gao, Kaoru Yamamoto, Hajime Okajima, Akira Sakamoto, Michael L. Baker, Thomas Kroll, Dimosthenis Sokaras, Atsushi Okazawa, Norimichi Kojima, Yoshihito Shiota, Kazunari Yoshizawa & Osamu Sato
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 4836
  • DOI: 10.1038/s41467-021-25041-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Water-oriented magnetic anisotropy transition (2021)
  • 著者名/発表者名: SQ. Su, SQ. Wu, M. Hagihala, P. Miao, Z. Tan, S. Torii, T. Kamiyama, T. Xiao, Z. Wang, Z. Ouyang, Y. Miyazaki, M. Nakano, T. Nakanishi, JQ. Li, S. Kanegawa, O. Sato
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 2738
  • DOI: 10.1038/s41467-021-23057-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Controlling dynamic magnetic properties of coordination clusters via switchable electronic configuration (2021)
  • 著者名/発表者名: W. Huang, X. Ma, O. Sato, DY Wu
  • 雑誌名: Chem. Soc. Rev. 巻: 50 ページ: 6832-6870
  • DOI: 10.1039/D1CS00101A
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Polarization and Magnetization Switching via Charge Transfer in Molecular Crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: O. Sato
  • 学会等名: Pacifichem
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Proton Transfer Coupled Spin Transition and Trapping of Photoinduced Metastable Proton Transfer State in an Fe(II) Complex (2021)
  • 著者名/発表者名: O. Sato
  • 学会等名: Pacifichem
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetization and Polarization Switching via Electron Transfer in a Valence Tautomeric Cobalt Complex (2021)
  • 著者名/発表者名: O. Sato
  • 学会等名: The 14th Japanese-Russian Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Polarization and Magnetization Switching via Charge Transfer in Molecular Crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: O. Sato
  • 学会等名: The 17th International Conference on Molecule-based Magnets
  • 国際学会 / 招待講演