分子の内部構造制御で磁性をオン?オフする新手法を開発 －高密度スピントロニクス素子への利用に期待－

分子の内部構造制御で磁性をオン?オフする新手法を開発－高密度スピントロニクス素子への利用に期待－

2022年10月18日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　教授　米田忠弘

【発表のポイント】

金属错体を金属表面で薄膜化、高密度充填を実现することで、分子内部构造が自己组织的スリム化、非磁性分子が磁性分子に。
価电子状态が揺动（3価?4価）することで知られるセリウム（颁别）金属を用いた。
従来のスピンクロスオーバー研究に见られない、分子形状の机械的変化での磁性制御は分子スピントロニクス^*1への応用が期待される。

【概要】

电子机器の心臓部にあたるエレクトロニクス素子は、シリコンなど重い元素の块を削るトップダウンと呼ぶ手法で回路を作り、电子の电気の性质（电荷）を操作します。この素子の消费电力を大幅に下げ、同时に演算速度をけた违いに高めるため、电荷に加えて电子の磁石の性质（スピン）を併用するスピントロニクス素子の开発が精力的に进められています。スピントロニクス素子の开発にも多くは重い元素が用いられています。一方、物质の最小単位である原子や分子から组み立てるボトムアップと呼ぶ手法で、従来に比べてはるかに微细な分子エレクトロニクス素子の研究开発もおこなわれています。さらにその先で、原子や分子から组み立てる分子スピントロニクス素子への関心が高まっています。

东北大学多元物质科学研究所の米田忠弘教授、城西大学大学院理学研究科の加藤恵一准教授、东北大学大学院理学研究科の山下正广名誉教授、物质?材料研究机构国际ナノアーキテクトニクス研究拠点の荒船竜一主任研究员ら合同チームは、セリウム（颁别）原子を上下から环状化合物のフタロシアニン（笔肠）配位子でサンドイッチした分子（颁别笔肠₂分子）を用いて、もともと磁性を持たない分子が、金属表面上で薄膜を形成し表面で高い充填率を示す场合、自己组织的に内部构造を変化させ、その结果、磁性を発生させるという手法を开発しました。

セリウムは価电子揺动を示す原子として知られており、+4、+3のイオン状态のエネルギー差が小さく、状态间を行き来しやすいことが知られています。颁别笔肠₂の分子の场合+4では磁性はありませんが、+3の场合にはセリウム原子と配位子のパイ轨道にスピンが偏极し磁性を示します。理论计算ではセリウムのイオン状态は2つのフタロシアニン配位子间の回転角度θに敏感であり、θ=45^oでは非磁性ですが、θ=0^oでは+3イオン状态となり磁性を持つことが予想されています。ただ分子结晶ではθ=45^oのみが観察され、θ=0^oのような角度の回転をどのように起こさせるかが困难でした。

本研究では金属上に分子の薄膜を形成した时、分子结晶では得られない高密度充填がなされ、その时に内部构造であるθを変化させることを见出し実现させました。颁别笔肠₂分子を金（111）表面上に昇华法によって薄膜形成した场合、下部のフタロシアニン配位子が金表面でフタロシアニン独自の安定构造を取ろうとします。もし上部のフタロシアニンが分子结晶で见られるθ=45^oを保って积层した场合、立体障害が生じ配位子が衝突してしまいます。この时、分子はθ=45^oからθ=0^oに配位子を回転させてスリムになることで、高密度の薄膜を形成しようとし、同时に分子に磁性が生じます。この自动的な分子の内部构造変化は、本研究において実験的に走査トンネル顕微镜(厂罢惭)^*2を用いて観测し、また局所的な磁性の発生もトンネル分光（厂罢厂）により近藤状态^*3を検知することで确认しました。

薄膜中の分子の充填率変化で分子构造の変化が生じ、磁性を制御する手法は、今后スピン制御と情报伝达を结びつけるスピントロニクス材料の局所磁性制御法として情报処理やセンサー応用が期待されます。

この結果は、米国化学会誌『The Journal of Physical Chemistry C』オンライン版（2022年9月30日付け）に掲載されました。

図1　颁别笔肠₂分子のサイドビューと俯瞰図。上下のフタロシアニン配位子の相対回転角度は単独分子や分子结晶では45^oである。

【用语解説】

＊1）スピントロニクス
電流?電圧により情報を処理する、電荷を基本とした従来の半導体デバイスにかわり、電子の磁気的性質（スピン）も利用する新たなエレクトロニクス技術。低消費電力かつ高密度な磁気記録素子などの幅広い応用が期待され、近年注目を集める分野である。

＊2）走査トンネル顕微镜(厂罢惭)
先端が鋭い金属の探针を导电性のある试料に近づけ、両者に数痴（ボルト）の电圧差を设ける场合、その间の距离が1苍尘（10亿分の1尘）以下になった时にトンネル电流が生じる。この电流は探针―试料间の距离に敏感であり、探针を走査することで原子分解能を持った顕微镜像を得ることができる。トンネル电流は本质的に局所的で、その広がりは0.3苍尘程度しかない。

＊3）近藤状态
古くから知られている希薄磁性合金において、ある温度以下で抵抗が上昇する现象を近藤らが理论的に明らかにし、现在、近藤効果と呼ばれる。孤立したスピンを伝导电子が磁気的にスクリーンして、一重项を作った现象を近藤状态という。トンネル分光ではフェルミ準位に高い状态密度が観察され、スピンの存在を示す検証材料として用いられる。

详细（プレスリリース本文）