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。

在电场（E）极化（P）曲线中具有滞后的铁电体是非挥发性记忆和开关元件的必要材料。铁电的性能取决于PE滞后曲线中的残余极化值（PR）和强制场（EC），并且具有较大PR和较小EC的材料对于稳定的驱动器和设备的能量节省是有利的。使用有机铁电体，可以使用有机合成技术设计各种极化反转机制。在此提案中，我们试图通过“离子传输 +烷基酰胺链”的分子设计杂交离子电导率和铁电性，并挑战了产生离子增强型有机铁电的产生，其中PR在其中通过外部电场扩增了PR。使用有机合成化学技术设计了能够离子位移（传输）的离子通道结构。这是在分子系统中共存的，其中引入了能够铁电性的烷基酰胺链。我们进行了一项研究，希望离子通道内的离子位移会增强铁电的大极值。研究了四烷基酰胺取代的冠状醚衍生物，并将不同尺寸的碱金属离子（li+ <na+ <k+ <rb+ <cs+）引入分子中心的离子通道中。设计了通道内的离子运动自由度，并通过离子位移尝试了极化。 E的应用导致离子的稳定位置偏置，从而导致新的离子极化。结果，根据离子类型，观察到源自烷基酰胺链的铁电偏振的离子位移增强的极化。我们已经成功地放大了有机材料的小PR值，以改善开关特性。另一方面，当电场切断时，离子位移暂停会逐渐衰减，并将其减弱至原始的铁电成分。