ＪＳＴ目的基礎研究の一環として、東京大学 大学院工学系研究科の十倉 好紀 教授とＪＳＴ「十倉マルチフェロイックスプロジェクト」の賀川 史敬 研究員らは、磁性を持った２種類の原子（または分子）が一次元的に積層した結晶構造を持つ物質は、それらの原子間（または分子間）に働く磁気的な相互作用によって強誘電体になるという新原理を発見しました。
研究で対象としたテトラチアフルバレン・ブロマニル（ＴＴＦ－ＢＡ）は、有機物電荷移動錯体の１つで、磁性を持った２種類の分子が一次元的に積層した結晶構造を持ちます（図１、図２）。
本プロジェクトは、この物質の結晶構造では低温で強誘電性を示すという理論的予測を立て、このことを実験的に証明するために今まで困難であったＴＴＦ－ＢＡの大型試料の作成に取り組み、成功しました。そして作成した大型試料を用いた研究から、実際にこの物質が摂氏－２２０度以下で磁気的な相互作用によって強誘電体になることを発見しました。この強誘電性は６０万ガウスという超強磁場まで保持され、磁性が起源であるにもかかわらず、磁場に対して極めて強固な強誘電性を示すことが分かりました。
これは、磁性を起源に持つ強誘電体の開発に向けて新たな設計指針を与えると同時に、有機物でそのような強誘電体が存在することを証明した初めての例であり、有機物が持つ“柔らかい”という特徴などを活かした応用展開が期待されます。
本研究は、産業技術総合研究所の堀内 佐智雄 主任研究員、東京大学物性研究所の徳永 将史 准教授と共同で行われました。
本研究成果は、２０１０年１月１０日（英国時間）発行の英国科学雑誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ」オンライン速報版で公開されます。
本成果は、以下の事業・研究プロジェクトによって得られました。
戦略的創造研究推進事業 ＥＲＡＴＯ型研究
研究プロジェクト：「十倉マルチフェロイックスプロジェクト」
研究総括：十倉 好紀（東京大学 大学院工学系研究科 教授）
研究期間：平成１８～２３年度
ＪＳＴはこのプロジェクトで、磁化と電気分極の強い相関を持つマルチフェロイック物質の創製と、その物性を説明する学理の構築を総合的に行うことで、材料の新たな設計指針を見いだしつつ、ものづくり手法の高度化と合わせて、新規材料群の開拓を行っています。 |
外部電場によってプラスとマイナスに反転可能な電気分極を示す絶縁体を特に強誘電体と呼びます。最初の強誘電体は１９２１年に発見され、その特異な性質は今日、ＩＣカードなどの不揮発性メモリ、圧力を加えると電圧が発生するピエゾ素子などに応用され、現代の科学技術に欠かせないものとなっています。従来の強誘電体は磁性を示さないのが通例でしたが、２００３年に十倉教授らにより、「マルチフェロイックス」と呼ばれる、磁性と強誘電性を同時に併せ持つ物質群が発見されました。マルチフェロイックスでは外部電場のみならず外部磁場によっても電気分極の向きを制御することが可能で、強誘電体の物質科学は今、急速な広がりを見せています。
さらに「十倉マルチフェロイックスプロジェクト」では、このような新しい強誘電体は新しい原理に基づいていることを確立してきました。物質中に存在する１０21個にも及ぶミクロな磁石（スピン）の向きが、スピン間の相互作用を通じてある特有な磁気秩序を示した時に、強誘電性が生じることが分かってきました。
このような磁性を起源に持つ強誘電体は、こうした最新の考えに基づき、世界中で、次々と発見されてきています。しかしその一方で、磁性を起源に持つ強誘電体の物質科学のさらなる発展に向けて、その強誘電性発現には特有なパターン（磁気秩序）が必要なため、そのような磁気秩序を持つ物質をいかにして設計するかが重要な課題の１つとなっていました。
ＴＴＦ－ＢＡという有機結晶は、プラスの電荷を持ったＴＴＦ分子とマイナスの電荷を持ったＢＡ分子が電気的引力によって結びつくことによって結晶になっています（図１）。電荷を持った分子は同時に磁性の元になるスピンを持つので、ＴＴＦ－ＢＡは磁性を持った２種類の分子が一次元的に積層した結晶構造をしていると言えます。室温ではスピンはばらばらの方向を向いて揺らいでいますが、温度を冷やしてゆくと、スピン間の相互作用の結果、ＴＴＦ分子とＢＡ分子がペアを組むように歪んで電荷が偏り、電気分極が生じると予想されます（図２）。この理論的予測は、スピンを持った原子（または分子）が一次元的に配列している物質では一般にスピンが量子力学的なペアを組もうとして結晶が歪むという物理法則に基づいたものです。
本研究では、ＴＴＦ－ＢＡが摂氏－２２０度以下でスピン間の相互作用によって強誘電性を示すことを見いだし、その起源が今までのマルチフェロイックス物質で見られているような磁気秩序ではなく、スピンを持つ２種類の分子が一次元的に積層しているという極めて単純な特徴にあることを突き止めました。この強誘電性は６０万ガウスという超強磁場まで安定であることが分かり、磁性を起源に持つ強誘電体としては極めて強固な性質を持つと言えます。
本研究で得られた主な成果を以下に示します。
（１）ＴＴＦ－ＢＡの大型単結晶育成に成功したことによって、電気分極の電場依存性を詳しく調べることが可能になり、低温で確かに強誘電性を示すことが分かりました（図３)。また、強誘電状態では、スピンが量子力学的なペアを形成することが磁化率の測定から分かりました。これらの振る舞いは本プロジェクトが立てた理論的予測と一致し、スピンを持つ２種類の分子が一次元的に積層しているために起こった現象と理解できます。
（２）電気分極の磁場依存性を調べた結果、６０万ガウスという高磁場により電気分極が消失し、また逆に磁場を下げると電気分極が復活することが分かりました（図４）。この結果は、ＴＴＦ－ＢＡの強誘電性の起源が磁性にあることを示すと共に、磁場に対して極めて安定であることを示しています。
（３）近年、薄くて曲げられるディスプレイが有機ＥＬを用いて実現されたように、有機物質はその柔らかいという性質ゆえに硬い無機物質には成しえない機能の可能性を秘めています。有機物において磁性を起源に持つ強誘電体が発見されたことによって、今後の有機材料における研究開発に新たな道を開くことが期待されます。
今後は、本研究で見いだされた新原理に基づき、磁性を起源に持つ強誘電体を有機物において見いだしていくと同時に、“柔らかい”という有機物の性質を利用して、圧力によってその強誘電性を制御することを目指します。将来は、服や腕などに装着できる“柔らかい”コンピューターなどの開発も期待されます。