イオンブースト型有機強誘電体の創製

离子增强有机铁电材料的创建

基本信息

批准号：
22K19004
负责人：
芥川智行
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

電場 (E)－分極 (P)曲線にヒステリシスを有する強誘電体は、不揮発メモリやスイッチング素子に必要不可欠な材料である。強誘電体の性能はP－E ヒステリシス曲線における残留分極値 (Pr)と抗電場 (Ec)により決定され、より大きなPrとより小さなEcを持つ材料がデバイスの安定駆動と省エネルギー化に有利である。有機強誘電体では、有機合成の手法を用いる事で多様な分極反転メカニズムが設計可能である。本提案では、「イオン輸送＋アルキルアミド鎖」の分子設計によりイオン伝導性と強誘電性のハイブリッド化を試み、外部電場によりPrが増幅される「イオンブースト型の有機強誘電体の創製」に挑戦した。イオン変位 (輸送)が可能なイオンチャネル構造を有機合成化学の手法から設計した。これを強誘電性の発現が可能なアルキルアミド鎖を導入した分子系に共存させた。イオンチャネル内のイオン変位は強誘電体のマクロ分極値をブーストすると期待し研究を実施した。テトラアルキルアミド置換クラウンエーテル誘導体を研究対象とし、分子中心にあるイオンチャネル内にサイズの異なるアルカリ金属イオン (Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+)を導入した。チャネル内におけるイオン運動自由度を設計し、イオン変位による分極制御を試みた。Eの印加によりそのイオンの安定位置に偏りを生じ、新たなイオン分極が発生した。結果、アルキルアミド鎖に由来する強誘電体分極にイオン変位によりブーストされた分極がイオンの種類に応じて観測された。有機材料の小さなPr値を、一時的に増幅し、スイッチング特性を向上させる事に成功した。一方、イオン変位Pionは電場を切る事で徐々に減衰し、本来の強誘電体成分に減衰する。

铁电体的电场 (E) 与极化 (P) 曲线具有磁滞现象，是非易失性存储器和开关器件的重要材料。铁电体的性能由P-E磁滞曲线中的剩余极化值（Pr）和矫顽电场（Ec）决定，Pr较大、Ec较小的材料有利于器件稳定运行和节能。在有机铁电体中，可以使用有机合成技术设计各种极化反转机制。在该提案中，我们将尝试通过“离子传输+烷基酰胺链”的分子设计将离子导电性和铁电性混合在一起，并旨在“创建一种离子增强型有机铁电材料”，其中Pr被外部电场放大。我试过。使用合成有机化学技术设计了能够进行离子置换（传输）的离子通道结构。使其共存于包含可表现出铁电性的烷基酰胺链的分子系统中。我们进行了一项研究，期望离子通道内的离子位移能够提高铁电材料的宏观极化值。我们研究了四烷基酰胺取代的冠醚衍生物，并将不同尺寸的碱金属离子（Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+）引入到分子中心的离子通道中。我们设计了通道内离子运动的自由度，并尝试通过离子位移来控制极化。 E的施加引起离子稳定位置的移动，并发生新的离子极化。其结果是，根据离子的种类，观察到来自烷基酰胺链的铁电极化中因离子位移而增强的极化。我们成功地暂时放大了有机材料的小Pr值并改善了它们的开关特性。另一方面，离子位移Pion通过切断电场而逐渐衰减，并衰减到其原来的铁电分量。