香川大学創造工学部
堀井研究室
研究概要
これまでに、究極の小型磁石である分子磁石に焦点を当て、分子メモリーを志向した高配向性ナノ薄膜の構築や優れた分子磁石の合成、やわらかい分子磁石結晶の構築など、分子磁石を利用した機能性物質の構築において多様な成果を上げてきました。以下に代表的な研究成果を示します(作成中)。
やわらかい分子磁石
分子材料が無機材料と比較して優れている点の一つに、柔軟性が挙げられます。最近、結晶性を保ちつつ外力に対して可逆的に変形することが可能な「弾性結晶」が注目を集めており、弾性と固体発光特性や、弾性と電気伝導性を複合化した例が報告されています。私は、銅ポルフィリン錯体が磁性を有しながら高い柔軟性を示すことを発見し、銅イオンの不対電子に由来した磁性と、分子結晶の柔軟性が共存した系の構築に世界で初めて成功しました[Chem. Commun., 2023]。低温での磁気測定より、この系は遅いスピン緩和を示し、分子スピン量子ビットとして有用であることを見出しました。弾性変形に伴う磁気特性の変調は「メカノマグネティクス」とよばれ、オーストラリアクイーンズランド大学のKennyらによって理論的に提唱されていますが、実験的には未だ実現されていません。本物質はメカノマグネティクスの候補物質として有用であり、外力応答性の機能性磁気材料として利用することができます。
分子構造
磁気特性
単分子磁石からなる超薄膜の構築と配列制御
単分子磁石は、分子でありながら磁石のような固定された方位を有する化合物です。単一の分子にスピンの上下として情報を記録できることから、超高密度の磁気記録デバイスとしての用途や、スピントロニクスへの応用が期待されています。特に前者の用途では、個々の分子に短針を用いてアクセスするため、単分子磁石の均一かつ大面積な２次元配列の形成が必要不可欠です。無機材料の微細加工を利用したトップダウン方式とは対比的に、分子を用いた素子作成では自己組織化を利用したボトムアップ方式を利用するため、省エネルギーや素子の微細性、均一性においてトップダウン方式を凌駕する可能性を秘めています。このような背景の中、私はボトムアップ方式の手法の１つであるLangmuir-Brodgett（LB）法を用いることで、均一かつ大面積な単分子磁石薄膜を構築することに成功しました[J. Mater. Chem. C, 2023]。LB法は溶液プロセスをもとにした省エネルギーな手法です。薄膜の構築操作は非常にシンプルで、金属イオン水溶液に配位サイトを有する単分子磁石の溶液を垂らすだけで、水溶液上での配位結合形成に伴い単分子膜が生成します。
本薄膜をシリコン基板に写し取り、SPring-8において軟X線磁気円二色性（XMCD）スペクトルを測定したところ、磁気記録媒体として有利な垂直磁気異方性を有することが明らかとなりました。この結果は、本薄膜中で分子が高度に配向していることを示唆します。純水上に単分子磁石溶液を垂らして作成した薄膜では垂直磁気異方性が見られないことから、単分子磁石と金属イオンの配位結合形成が高配向性薄膜の構築に極めて重要であることがわかります。また、単分子磁石への化学修飾によって薄膜内での分子配列様式が変化し、磁気特性が向上することを報告しました[J. Mater. Chem. C, 2024]。
本成果は分子をベースとしたボトムアップ型のスピントロニクスを大きく推進するものです。現在は、薄膜内での拡張π共役系形成によって、単分子磁石特性と電気伝導性を共存させた機能性薄膜の構築を目指し、研究を行っています。
