JP6723602B2 - Multiferroic material and memory using the same - Google Patents
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Description
本発明は、マルチフェロイック材料及びそれを用いたメモリに関する。 The present invention relates to a multiferroic material and a memory using the same.
メモリは、電子機器にとって無くてはならない重要な構成要素である。電子機器の小型化及び高性能化が進められており、メモリについてもさらなる大容量化及び微細化が求められている。不揮発性メモリは、一般的にヒステリシス現象を用いて情報の記憶を行うため、ヒステリシス現象を示す強誘電体や強磁性体がメモリ材料として用いられている。しかし、通常の強誘電体や強磁性体を極限まで微小化すると、熱揺らぎによって情報の記録を保持できなくなる。このため、メモリの単一情報(1ビット)の記録に少なくとも数十以上の結晶構造を含む記憶セルが必要となるため、強誘電体や強磁性体を用いたメモリの微細化には物理的な限界がある。このような物理的限界を突破できる可能性がある材料として、単分子で誘電ヒステリシスを示す単分子誘電体や、単分子で磁気ヒステリシスを示す単分子磁石が注目を集めている(例えば、非特許文献1を参照。)。これらの分子は、従来の強誘電体や強磁性体と全く異なる機構でヒステリシスを発現し、理論的には1つの記憶セルを1分子で構成することが可能となる。このため、単分子誘電体や単分子磁石は、これ以上小さくできない極限の強的性質を有する微小素子と位置づけられ、記録密度の大幅な向上などが期待される。 The memory is an important component that is indispensable to electronic devices. As electronic devices are becoming smaller and higher in performance, memory is also required to have a larger capacity and a smaller size. Since a non-volatile memory generally stores information using a hysteresis phenomenon, a ferroelectric substance or a ferromagnetic substance exhibiting the hysteresis phenomenon is used as a memory material. However, if the usual ferroelectrics and ferromagnets are miniaturized to the utmost limit, it becomes impossible to retain information recording due to thermal fluctuation. Therefore, a memory cell containing at least several tens of crystal structures is required for recording single information (1 bit) of the memory, and therefore physical miniaturization of a memory using a ferroelectric or a ferromagnetic material is required. There are limits. As materials that may break through such physical limits, monomolecular dielectrics that show dielectric hysteresis with a single molecule and single molecule magnets that show magnetic hysteresis with a single molecule have been attracting attention (for example, non-patent literature). See Reference 1.). These molecules exhibit hysteresis by a mechanism completely different from that of conventional ferroelectrics and ferromagnets, and theoretically it is possible to configure one memory cell with one molecule. Therefore, the monomolecular dielectric and the monomolecular magnet are positioned as minute elements having extremely strong properties that cannot be further reduced, and it is expected that the recording density will be greatly improved.
一方、1つの物質で、強誘電性、強磁性、強弾性などの強的性質のうち2つ以上の性質を示すマルチフェロイック物質が注目されており、マルチフェロイック物質をメモリなどの電子素子に用いることが検討されている(例えば、特許文献1を参照。)。マルチフェロイック物質をメモリ材料に用いた場合、分極情報を用いるメモリにも、磁気情報を用いるメモリにも用いることができる可能性がある。また、分極情報と磁気情報とを同時に記憶させるマルチビットメモリを実現できる可能性もある。そこで、極限の微小記録素子と位置づけられている単分子誘電体や単分子磁石の性質を1分子で併せもった単分子マルチフェロイック物質を開発することにより、従来の記録限界を飛躍的に向上させたメモリ材料の開発が期待される。また、メモリ以外にも、センサやアクチュエータといった電子素子の微細化も期待される。 On the other hand, a multiferroic substance, which has two or more properties among ferroelectric properties, ferromagnetism, and ferroelasticity, is attracting attention as one substance. Is being used (see, for example, Patent Document 1). When a multiferroic substance is used as a memory material, it can be used as a memory that uses polarization information and a memory that uses magnetic information. In addition, there is a possibility of realizing a multi-bit memory that stores polarization information and magnetic information at the same time. Therefore, by developing a single-molecule multiferroic substance that combines the properties of single-molecule dielectrics and single-molecule magnets, which are considered to be extremely small recording elements, in one molecule, the conventional recording limit is dramatically improved. The development of such memory materials is expected. In addition to memories, miniaturization of electronic devices such as sensors and actuators is also expected.
しかしながら、分子メモリとして使用することができるような特性を有する単分子のマルチフェロイック材料は未だに知られていない。 However, a unimolecular multiferroic material having properties such that it can be used as a molecular memory is not yet known.
本開示の課題は、分子メモリとして使用することができるような特性を有する単分子のマルチフェロイック材料及びそれを用いた分子メモリを実現できるようにすることである。 An object of the present disclosure is to realize a single-molecule multiferroic material having a property that it can be used as a molecular memory and a molecular memory using the same.
本開示のマルチフェロイック材料の一態様は、連通孔を有し、連通孔内の一方の開放端側と他方の開放端側とのそれぞれに包接部を有するクラスター骨格と、包接部の一方に包接されたジスプロシウムイオンとを備え、単一分子で誘電ヒステリシス及び磁気ヒステリシスを示す。 One embodiment of the multiferroic material of the present disclosure has a communication hole, and a cluster skeleton having a clathrate on each of the open end side and the other open end side in the communication hole, and a clathrate part of the clathrate part. It has dysprosium ions clathrated on one side and exhibits dielectric and magnetic hysteresis with a single molecule.
本開示のマルチフェロイック分子メモリの一態様は、本開示のマルチフェロイック材料を備え、外部電場を印加することにより、ジスプロシウムイオンの包接位置の入れ替えによる分極方向の反転を行うことができ、外部電場が印加されていない状態において分極方向を保持する。 One aspect of the multiferroic molecular memory of the present disclosure comprises the multiferroic material of the present disclosure, by applying an external electric field, it is possible to reverse the polarization direction by switching the inclusion position of dysprosium ions, It maintains the polarization direction when no external electric field is applied.
マルチフェロイック分子メモリの一態様において、外部磁場を印加することにより、ジスプロシウムイオンの一軸磁気異方性によって、磁化方向の反転を行うことができ、外部磁場が印加されていない状態において磁化方向を保持するようにできる。 In one embodiment of the multiferroic molecular memory, by applying an external magnetic field, the uniaxial magnetic anisotropy of dysprosium ions can be used to invert the magnetization direction, and the magnetization direction can be changed in the state where no external magnetic field is applied. Can be held.
マルチフェロイック分子メモリの一態様において、クラスター骨格は、略扁平回転楕円体状であり、連通孔が回転軸に沿って設けられていてもよい。 In one embodiment of the multiferroic molecular memory, the cluster skeleton has a substantially oblate spheroidal shape, and communication holes may be provided along the rotation axis.
マルチフェロイック分子メモリの一態様において、クラスター骨格は、化学式P5W30O110で表されるポリオキソメタレートとすることができる。 In one embodiment of the multiferroic molecular memory, the cluster skeleton can be a polyoxometallate represented by the chemical formula P 5 W 30 O 110 .
本開示のマルチフェロイック電子素子は、本開示のマルチフェロイック材料を備え、誘電ヒステリシス及び磁気ヒステリシスの少なくとも一方を用いる。 The multiferroic electronic device of the present disclosure comprises the multiferroic material of the present disclosure and uses at least one of dielectric hysteresis and magnetic hysteresis.
本実施形態の単分子マルチフェロイック物質は、連通孔及び前記連通孔内の一方の開放端側と他方の開放端側とにそれぞれ設けられた包接部を有するクラスター骨格と、包接部の一方に包接されたジスプロシウムイオンを備え、単一分子で誘電ヒステリシス及び磁気ヒステリシスを示す。 The unimolecular multiferroic substance of the present embodiment, a communication hole and a cluster skeleton having a clathrate portion provided on one open end side and the other open end side in the communicating hole, respectively, It has a dysprosium ion clathrated on one side and exhibits dielectric and magnetic hysteresis with a single molecule.
図1A及び図1Bは、本実施形態の単分子マルチフェロイック物質の一例を示している。図1A及び図1Bに示すように、本実施形態の単分子マルチフェロイック物質は、クラスター骨格101と、クラスター骨格101に包接されたジスプロシウムイオン(Dy3+)102とを有する、ジスプロシウム包接クラスターである。 1A and 1B show an example of the single molecule multiferroic substance of the present embodiment. As shown in FIGS. 1A and 1B, the unimolecular multiferroic substance of the present embodiment has a dysprosium clathrate having a cluster skeleton 101 and a dysprosium ion (Dy 3+ ) 102 clathrated by the cluster skeleton 101. It is a cluster.
クラスター骨格101は、連通孔111を有し、連通孔111の一方の開放端側と他方の開放端側とにそれぞれジスプロシウムイオンを包接可能な包接部(安定サイト)113を有している。クラスター骨格101は、リン‐タングステン酸化物分子とすることができる。 The cluster skeleton 101 has a communication hole 111, and has an inclusion portion (stable site) 113 capable of including dysprosium ions on one open end side and the other open end side of the communication hole 111, respectively. .. The cluster skeleton 101 can be a phosphorus-tungsten oxide molecule.
クラスター骨格101の2つの包接部113の一方にはジスプロシウムイオン102が包接されている。ジスプロシウム包接クラスターは、ジスプロシウムイオンがどちらの包接部113に包接されているかによって異なる2つの分極方向を示す状態を取ることができる。いずれか一方の包接部113にジスプロシウムイオンが包接されることにより、ジスプロシウム包接クラスター内のジスプロシウムイオン102の偏りにより分子分極が形成される。外部電場を印加することにより、ジスプロシウムイオン102を外部電場に対して安定な包接部113へ移動させることができる。従って、分子分極の大きさ及び方向を、外部電場により制御することができるので、ジスプロシウム包接クラスターは、分子分極を用いたマルチフェロイック分子メモリとして用いることができる。なお、マルチフェロイック物質である本実施形態のジスプロシウム包接クラスターの場合、分極の制御を外部電場だけでなく、外部磁場、外部電場と外部磁場の双方又は応力場により行うこともできる。 The dysprosium ion 102 is included in one of the two inclusion portions 113 of the cluster skeleton 101. The dysprosium clathrate cluster can take two different polarization directions depending on which clathrate part 113 the dysprosium ion is clathrated into. The inclusion of dysprosium ions in one of the inclusion portions 113 causes the polarization of the dysprosium ions 102 in the dysprosium inclusion cluster to form molecular polarization. By applying an external electric field, the dysprosium ion 102 can be moved to the inclusion portion 113 that is stable with respect to the external electric field. Therefore, since the magnitude and direction of molecular polarization can be controlled by an external electric field, the dysprosium inclusion cluster can be used as a multiferroic molecular memory using molecular polarization. In the case of the dysprosium clathrate cluster of the present embodiment, which is a multiferroic substance, the polarization can be controlled not only by the external electric field but also by the external magnetic field, both the external electric field and the external magnetic field, or the stress field.
また、本実施形態のジスプロシウム包接クラスターは、単分子磁石としても機能する。本実施形態のジスプロシウムイオンの配位形体によって、ジスプロシウムイオンに一軸磁気異方性が生じ、これによって磁化方向及び大きさを固定できる。この磁化方向及び大きさは外部磁場を印加することにより制御することができる。このため、ジスプロシウム包接クラスターは、外部磁場を印加することにより、磁化方向の反転を、前記分極方向の反転とは独立して行うことができ、外部磁場が印加されていない状態において磁化方向を保持することもできるため、マルチフェロイック分子メモリなどに応用できる。なお、マルチフェロイック物質である本実施形態のジスプロシウム包接クラスターの場合、磁化方向の制御を外部磁場だけでなく、外部電場、外部電場と外部磁場の双方又は応力場により行うこともできる。 The dysprosium inclusion cluster of this embodiment also functions as a single molecule magnet. The coordination form of dysprosium ions of the present embodiment causes dysprosium ions to have uniaxial magnetic anisotropy, whereby the magnetization direction and size can be fixed. The magnetization direction and size can be controlled by applying an external magnetic field. Therefore, the dysprosium inclusion cluster can perform the reversal of the magnetization direction independently of the reversal of the polarization direction by applying the external magnetic field, and the magnetization direction can be changed in the state where the external magnetic field is not applied. Since it can be retained, it can be applied to a multiferroic molecular memory or the like. In the case of the dysprosium clathrate cluster of the present embodiment, which is a multiferroic substance, the magnetization direction can be controlled not only by an external magnetic field but also by an external electric field, both the external electric field and the external magnetic field, or a stress field.
本実施形態のジスプロシウム包接クラスターは、ジスプロシウムイオンの包接位置による分子分極の大きさ及び方向と、ジスプロシウムイオンのスピンに由来する磁化の大きさ及び方向とを互いに独立して反転及び保持することができる。このため、本実施形態のジスプロシウム包接クラスターは、分極情報と磁気情報とを記憶するマルチビット分子メモリとして機能させることができる。 The dysprosium inclusion clathrate of the present embodiment is such that the magnitude and direction of molecular polarization depending on the inclusion position of dysprosium ions and the magnitude and direction of magnetization derived from the spin of dysprosium ions are inverted and held independently of each other. You can Therefore, the dysprosium clathrate cluster of this embodiment can function as a multi-bit molecular memory that stores polarization information and magnetic information.
本実施形態のジスプロシウム包接クラスターは、強誘電体及び強磁性体と同様の誘電ヒステリシス及び磁気ヒステリシスを有している。しかし、本実施形態のジスプロシウム包接クラスターは、通常の強誘電体と異なり、複数のジスプロシウム包接クラスターが集合体となっていなくても誘電ヒステリシス及び磁気ヒステリシスを示す。このため、1つの分子を1つの磁気、及び誘電記憶セルとする単分子マルチビットメモリとすることが可能である。 The dysprosium inclusion cluster of this embodiment has the same dielectric hysteresis and magnetic hysteresis as those of the ferroelectric substance and the ferromagnetic substance. However, the dysprosium clathrate cluster of the present embodiment exhibits dielectric hysteresis and magnetic hysteresis even when a plurality of dysprosium clathrate clusters are not aggregated, unlike ordinary ferroelectric substances. Therefore, it is possible to make a single molecule multi-bit memory in which one molecule is one magnetic and dielectric memory cell.
クラスター骨格101は略扁平回転楕円体状であり、連通孔111は、回転軸に沿って設けられている。従って、クラスター骨格101は、斜方晶結晶構造(Pnma)を形成する結晶となり、単結晶とした場合に、分子分極の方向の選択性を高めることができる。つまり、単結晶を用いた場合にはランダムな方向を選択することを減らし、一方向化とその逆の方向化の選択性を高めることができる。 The cluster skeleton 101 has a substantially flat spheroidal shape, and the communication hole 111 is provided along the rotation axis. Therefore, the cluster skeleton 101 becomes a crystal that forms an orthorhombic crystal structure (Pnma), and when it is a single crystal, the selectivity of the direction of molecular polarization can be increased. That is, when a single crystal is used, it is possible to reduce the selection of random directions and enhance the selectivity of unidirectionalization and vice versa.
クラスター骨格101として、ポリオキソメタレート骨格を有し、化学式P5W30O110で表されるポリオキソメタレート(POM)分子を挙げることができる。この分子は、プレイスラー(Preyssler)型POMである。 Examples of the cluster skeleton 101 include a polyoxometallate (POM) molecule having a polyoxometallate skeleton and represented by the chemical formula P 5 W 30 O 110 . This molecule is a Preyssler type POM.
本実施形態のジスプロシウム包接クラスターは、例えば以下のようにして製造することができる。まず、ナトリウムイオンを内包したプレイスラー型POMである[K12.5Na1.5[NaP5W30O110]・15H2O]を、既知の方法(例えば、Inge Creaser et. al. Inorg.Chem, 32, 1573-1578 (1993)等を参照。)により合成する。次に、得られたNaイオンを内包した60〜70℃のPOMの水溶液に、Dy(NO3)3の水溶液を滴下して混合する。次に、混合溶液を160℃で24時間処理した後、再結晶することによりジスプロシウムイオンを内包したプレイスラー型POM(DyPOM)が得られる。 The dysprosium inclusion cluster of this embodiment can be manufactured as follows, for example. First, [K 12.5 Na 1.5 [NaP 5 W 30 O 110 ].15H 2 O], which is a Placer-type POM encapsulating sodium ions, was prepared by a known method (for example, Inge Creaser et. al. Inorg. Chem, 32). , 1573-1578 (1993), etc.). Next, the Dy(NO 3 ) 3 aqueous solution is added dropwise to the obtained POM aqueous solution containing Na ions at 60 to 70° C. and mixed. Next, the mixed solution is treated at 160° C. for 24 hours and then recrystallized to obtain a placer type POM (DyPOM) containing dysprosium ions.
ジスプロシウム包接クラスターは、一方の包接部が空であるため、外部電場を加えることによりジスプロシウムイオンを、空いている包接部の側に移動させることができる。 Since one inclusion part of the dysprosium clathrate cluster is empty, dysprosium ions can be moved to the side of the vacant inclusion part by applying an external electric field.
図2は、本実施形態のジスプロシウム包接クラスターの分極エネルギー構造の一例を説明する図である。ジスプロシウム包接クラスターは、内部に2ヶ所ある包接部(イオン安定サイト)が結晶学的に等価である。一方のサイトにジスプロシウムイオンがトラップされることにより、一方向の分極Pが形成される。 FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the polarization energy structure of the dysprosium clathrate cluster of the present embodiment. In the dysprosium clathrate cluster, two clathrates (ion stable sites) inside are crystallographically equivalent. A unidirectional polarization P is formed by trapping the dysprosium ion at one site.
温度が十分に低い場合には、一方のサイトと他方のサイトとの間のエネルギー障壁UEを飛び越える熱エネルギーを有さないため、ジスプロシウムイオンの移動は生じず、分極Pの方向を維持することができる。この状態で外部電場Eを印加するとジスプロシウムイオンはより安定となったサイトへの移動が起こり、分極Pの方向を変えることができる。温度が高くなると印加する外部電場が小さくても、熱エネルギーの補完によってジスプロシウムイオンを他方のサイトに容易に移動させることができる。さらに温度が高くなると、ジスプロシウムイオンのサイト間揺らぎが大きくなり、外部電場を印加しない状態においても、ジスプロシウムイオンが他方のサイトに移動してしまい、分極方向を維持できなくなる。 If the temperature is sufficiently low, it does not have thermal energy that jumps over the energy barrier U E between one site and the other site, so that the transfer of dysprosium ions does not occur and the direction of polarization P is maintained. You can When the external electric field E is applied in this state, the dysprosium ions move to a more stable site, and the direction of the polarization P can be changed. Even if the external electric field to be applied is small when the temperature is high, the dysprosium ion can be easily moved to the other site by supplementing the thermal energy. When the temperature is further increased, the inter-site fluctuation of the dysprosium ion increases, and even when the external electric field is not applied, the dysprosium ion moves to the other site, and the polarization direction cannot be maintained.
本実施形態のジスプロシウム包接クラスターにおいては、室温の場合、100V/cm〜1000V/cm程度の外部電場を印加することにより、ジスプロシウムイオンの移動を生じさせることができる。具体的には、428V/cmの外部電場を印加することにより、ジスプロシウムイオンの移動を生じさせることができ、285Kにおいて21μC/cmの分極モーメントが得られる。外部電場の大きさを大きくすることにより、より低い温度においても、分子分極の制御が可能となるが、ジスプロシウム包接クラスターの還元を防ぐ観点から、印加する外部電場は1600V/cm以下とすることが好ましい。 In the dysprosium clathrate cluster of this embodiment, at room temperature, movement of dysprosium ions can be caused by applying an external electric field of about 100 V/cm to 1000 V/cm. Specifically, by applying an external electric field of 428 V/cm, migration of dysprosium ions can be caused, and a polarization moment of 21 μC/cm can be obtained at 285K. By increasing the magnitude of the external electric field, the molecular polarization can be controlled even at a lower temperature, but the applied external electric field is 1600 V/cm or less from the viewpoint of preventing reduction of the dysprosium inclusion cluster. Is preferred.
本実施形態のジスプロシウム包接クラスターは、単分子磁石としても機能する。図3は、本実施形態のジスプロシウム包接クラスターの磁気エネルギー構造の一例を説明する図である。ジスプロシウム包接クラスターのジスプロシウムイオンは、その配位形体によって一軸磁気異方性を生じる。つまり、ある磁気方向を反転する際に、エネルギー障壁UMを超える必要がある。温度が十分に低い場合には、一方の磁化方向と他方の磁化方向との間のエネルギー障壁UMを飛び越える熱エネルギーを有さないため、ジスプロシウムイオンの磁化反転は生じず、磁化Mの方向を維持することができる。この状態で外部磁場Hを印加するとジスプロシウムイオンはより安定となった磁化方向への反転が起こり、磁化Mの方向を変えることができる。温度が高くなると印加する外部磁場が小さくても、熱エネルギーの補完によってジスプロシウムイオンの磁化方向を容易に反転させることができる。さらに温度が高くなると、ジスプロシウムイオンの磁化方向の揺らぎが大きくなり、外部磁場を印加しない状態においても、ジスプロシウムイオンの磁化反転が起こり、磁化方向を維持できなくなる。 The dysprosium inclusion cluster of the present embodiment also functions as a single molecule magnet. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the magnetic energy structure of the dysprosium clathrate cluster of the present embodiment. The dysprosium ion of the dysprosium inclusion cluster causes uniaxial magnetic anisotropy depending on its coordination form. That is, when reversing a certain magnetic direction, it is necessary to exceed the energy barrier U M. When the temperature is sufficiently low, there is no thermal energy that jumps over the energy barrier U M between the one magnetization direction and the other magnetization direction, so that the magnetization reversal of the dysprosium ion does not occur and the direction of the magnetization M is changed. Can be maintained. When the external magnetic field H is applied in this state, the dysprosium ions are inverted to the more stable magnetization direction, and the direction of the magnetization M can be changed. When the temperature rises, even if the external magnetic field applied is small, the magnetization direction of the dysprosium ions can be easily reversed by complementing the thermal energy. When the temperature further rises, fluctuations in the magnetization direction of the dysprosium ions become large, and even when the external magnetic field is not applied, the magnetization reversal of the dysprosium ions occurs and the magnetization direction cannot be maintained.
本実施形態のジスプロシウム包接クラスターにおいては、3Kの場合、100G以上の外部磁場を印加することにより、ジスプロシウムイオンの磁化方向を反転させることができる。なお、より低温にすることが、残留磁化及び保持力を向上させる観点から望ましい。具体的には、0.5Kにおいて、在留磁化は飽和磁化の25%程度が得られ、500G程度の保持力が得られる。 In the dysprosium clathrate cluster of the present embodiment, in the case of 3K, the magnetization direction of dysprosium ions can be reversed by applying an external magnetic field of 100G or more. In addition, it is desirable to lower the temperature from the viewpoint of improving the residual magnetization and the coercive force. Specifically, at 0.5 K, the residual magnetization is about 25% of the saturation magnetization, and a coercive force of about 500 G is obtained.
本実施形態のジスプロシウム包接クラスターは、分子分極の方向と、磁化の方向とをそれぞれ独立して、保持及び変化させることができる。また、分極情報は低い温度においても保持できるので、磁気記録と同時に保持することができる。従って、1つの分子で4つの状態を記憶できる、マルチビット分子メモリとして機能させることができる。 The dysprosium inclusion cluster of this embodiment can hold and change the direction of molecular polarization and the direction of magnetization independently. Further, since the polarization information can be retained even at a low temperature, it can be retained simultaneously with magnetic recording. Therefore, one molecule can function as a multi-bit molecular memory that can store four states.
ジスプロシウム包接クラスターからの分子分極の読出し、ジスプロシウム包接クラスターが発する電場及び磁場の少なくとも一方を感受する部材を、ジスプロシウム包接クラスターに近づけることにより行うことができる。電場及び磁場の少なくとも一方を感受する部材をジスプロシウム包接クラスターに近づけることにより生じる、力学的、光学的又は電磁気学的な作用により、ジスプロシウム包接クラスターの分子分極の大きさ及び方向と、磁化の強さ及び方向を読み出すことが可能となる。電場及び磁場の少なくとも一方を感受する部材として、強誘電体、強磁性体、マルチフェロイックス、電磁コイル、及びレーザーなどの電磁波等を用いることができる。 It is possible to read out the molecular polarization from the dysprosium clathrate cluster, and to bring a member sensitive to at least one of an electric field and a magnetic field generated by the dysprosium clathrate cluster close to the dysprosium clathrate cluster. The magnitude and direction of the molecular polarization of the dysprosium clathrate cluster and the magnetization of the dysprosium clathrate cluster by the mechanical, optical or electromagnetic action caused by bringing a member sensitive to at least one of an electric field and a magnetic field close to the dysprosium clathrate cluster. It is possible to read the strength and the direction. Electromagnetic waves such as ferroelectrics, ferromagnets, multiferroics, electromagnetic coils, and lasers can be used as the member that senses at least one of an electric field and a magnetic field.
単分子マルチフェロイック物質である本実施形態のジスプロシウム包接クラスターは、1つの分子が1つのメモリセルを構成するようにできる。このため、記憶密度を大きく向上させることができる。なお、複数の分子が1つのメモリセル等を構成するようにすることも可能である。 In the dysprosium inclusion cluster of the present embodiment, which is a single molecule multiferroic substance, one molecule can be configured to form one memory cell. Therefore, the storage density can be greatly improved. It is also possible that a plurality of molecules form one memory cell or the like.
また、本実施形態のジスプロシウム包接クラスターはメモリだけでなく、誘電ヒステリシス及び磁気ヒステリシスの少なくとも一方を用いる種々の電子素子に用いることができる。 Further, the dysprosium clathrate cluster of the present embodiment can be used not only for memories but also for various electronic devices using at least one of dielectric hysteresis and magnetic hysteresis.
以下に、本発明の分子メモリについて実施例を用いてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施例は例示であり、本発明を何ら限定しない。 Hereinafter, the molecular memory of the present invention will be described in more detail with reference to Examples. The following examples are merely examples, and do not limit the present invention.
<ジスプロシウム包接クラスターの調製>
まず、0.10molのタングステン酸ナトリウム二水和物(Na2WO4・2H2O)を60℃〜70℃に加熱した30mlの水に溶解させた。続いて、85%のリン酸(H3PO4)水溶液26.5mLを加え120℃で24時間加熱して、水熱合成を行った。続いて、15mLの水と0.13molの塩化カリウム(KCl)とを加え、濾過した後、再結晶させてナトリウム包接ポリオキソメタレート(NaPOM)を得た。
<Preparation of Dysprosium inclusion cluster>
First, 0.10 mol of sodium tungstate dihydrate (Na 2 WO 4 .2H 2 O) was dissolved in 30 ml of water heated to 60°C to 70°C. Subsequently, by heating 85% phosphoric acid (H 3 PO 4) solution 26.5mL at 120 ° C. was added a 24 hours for hydrothermal synthesis. Subsequently, 15 mL of water and 0.13 mol of potassium chloride (KCl) were added, filtered, and recrystallized to obtain sodium clathrate polyoxometalate (NaPOM).
次に、1.23×10-4molのNaPOMを12mLの水に溶解させ、60℃〜70℃に加熱した。この後、2.46×10-4molの硝酸ジスプロシウム(Dy(NO3)3)を3mLの水と共に加え、160℃で24時間加熱して、水熱合成を行った。続いて5.3×10-2molの塩化カリウム(KCl)を2回に分けて添加し、それぞれにおいて生じた沈殿を別々にろ取した。2回目に得られたろ物のみを再結晶させてジスプロシウム包接ポリオキソメタレート(DyPOM:K12[DyP5W30O110]・nH2O)の結晶を得た。 Next, 1.23×10 −4 mol of NaPOM was dissolved in 12 mL of water and heated to 60° C. to 70° C. After that, 2.46×10 −4 mol of dysprosium nitrate (Dy(NO 3 ) 3 ) was added together with 3 mL of water, and the mixture was heated at 160° C. for 24 hours to perform hydrothermal synthesis. Subsequently, 5.3×10 -2 mol of potassium chloride (KCl) was added in 2 portions, and the precipitates generated in each were separately collected by filtration. Only the filter cake obtained in the second time was recrystallized to obtain crystals of dysprosium-inclusion polyoxometalate (DyPOM:K 12 [DyP 5 W 30 O 110 ].nH 2 O).
<赤外線吸収スペクトル>
得られた、DyPOMについて赤外線吸収スペクトル(IRスペクトル)の測定を行った。測定には、日本分光社製FT/IR−660Plusを用い、300K(室温)〜5Kまでの種々の温度について測定を行った。図4に示すように、温度が低くなるに従い、1160cm-1付近、1065cm-1付近及び1020cm-1付近のピークが高波数側にシフトし、1113cm-1付近に新たなピークが出現した。これは、高温域で安定サイト間を揺らいでいたジスプロシウムイオンが、低温域で安定サイトにゆっくりと停止したことを示している。
<Infrared absorption spectrum>
The infrared absorption spectrum (IR spectrum) of the obtained DyPOM was measured. For the measurement, FT/IR-660Plus manufactured by JASCO Corporation was used, and the measurement was performed at various temperatures from 300K (room temperature) to 5K. As shown in FIG. 4, as the temperature became lower, the peaks near 1160 cm −1 , 1065 cm −1 and 1020 cm −1 shifted to the higher wave number side, and a new peak appeared near 1113 cm −1 . This indicates that the dysprosium ion that fluctuated between stable sites in the high temperature region slowly stopped at the stable site in the low temperature region.
<誘電率>
得られたDyPOMについて比誘電率の複素成分の温度依存性を測定した。測定にはLCRメータ(Agilent社製、E4980A)を用いた。DyPOMの粉末をペレット状(厚さ84μm、面積1.88mm2)に成形し、その両面に金ペーストを塗布して電極を設けたものを測定試料とした。印加電圧は2Vとし、測定周波数は100Hz〜2MHzとした。
<Dielectric constant>
The temperature dependence of the complex component of the relative dielectric constant of the obtained DyPOM was measured. An LCR meter (E4980A manufactured by Agilent) was used for the measurement. A DyPOM powder was formed into a pellet shape (thickness: 84 μm, area: 1.88 mm 2 ), and gold paste was applied to both surfaces thereof to provide electrodes, which was used as a measurement sample. The applied voltage was 2 V and the measurement frequency was 100 Hz to 2 MHz.
図5に示すように、200K以上の温度領域において、周波数に依存して比誘電率の複素成分のピークがシフトする周波数分散が認められた。この結果は、ジスプロシウムイオンがPOM分子の内部空間を移動していることを示している。図6は、比誘電率の複素成分のピークトップ温度と周波数を用いたアレニウスプロットであり、グラフの縦軸は周波数の自然対数であり、横軸はピークトップ温度の逆数である。アレニウスプロットから求めたエネルギー障壁は0.437eVであり、10Hzにおけるブロッキング温度は203Kであった。 As shown in FIG. 5, in the temperature range of 200 K or higher, frequency dispersion was observed in which the peak of the complex component of the relative permittivity shifted depending on the frequency. This result indicates that the dysprosium ion is moving in the internal space of the POM molecule. FIG. 6 is an Arrhenius plot using the peak top temperature and the frequency of the complex component of the relative dielectric constant, the vertical axis of the graph is the natural logarithm of the frequency, and the horizontal axis is the reciprocal of the peak top temperature. The energy barrier obtained from the Arrhenius plot was 0.437 eV, and the blocking temperature at 10 Hz was 203K.
<焦電効果>
得られたDyPOMについてエレクトロメータ(Keithley 6517A)を用いて焦電効果の確認を行った。まず、DyPOMを冷却し、±0.55kV/cmの電場を印加してポーリング処理を行った。次に、ゼロ電場下で0.5K/minのレートで昇温しながら焦電電流を測定した。図7に示すように、260K付近に明確な焦電電流ピークが認められた。
<Pyroelectric effect>
The pyroelectric effect of the obtained DyPOM was confirmed using an electrometer (Keithley 6517A). First, DyPOM was cooled, and an electric field of ±0.55 kV/cm was applied to perform poling treatment. Next, the pyroelectric current was measured while increasing the temperature at a rate of 0.5 K/min under a zero electric field. As shown in FIG. 7, a clear pyroelectric current peak was observed around 260K.
図8は、DyPOMの焦電電流の積分値を100Kでの焦電電流の積分値で規格化した値(P/P100K)の温度依存性を示すグラフ(PTグラフ)である。230K程度から分極の絶対値が減少し始め、295K程度で0となった。この温度を、強誘電発現温度とした。 FIG. 8 is a graph (PT graph) showing the temperature dependence of a value (P/P 100K ) obtained by normalizing the integrated value of the pyroelectric current of DyPOM by the integrated value of the pyroelectric current at 100K . The absolute value of polarization started to decrease from about 230K and became 0 at about 295K. This temperature was defined as the ferroelectric development temperature.
<誘電ヒステリシス>
得られたDyPOMについて、強誘電テスタ(Radiant社製、Precision LC)を用いて誘電ヒステリシスの確認を行った。図9は、DyPOMサンプルの誘電ヒステリシスループである。200K〜285Kまで温度が高くなるに従い、誘電ヒステリシスは大きくなり、自発分極も増大した。260Kで最大印加電圧0.4kV/cmとしたとき、強誘電的なヒステリシスループが観測された。この温度は焦電電流の測定において観測されたピークの温度と一致した。
<Dielectric hysteresis>
Dielectric hysteresis of the obtained DyPOM was confirmed using a ferroelectric tester (Precision LC manufactured by Radiant Co.). FIG. 9 is the dielectric hysteresis loop of the DyPOM sample. As the temperature increased from 200K to 285K, the dielectric hysteresis increased and the spontaneous polarization also increased. A ferroelectric hysteresis loop was observed when the maximum applied voltage was 0.4 kV/cm at 260K. This temperature coincided with the peak temperature observed in the pyroelectric current measurement.
以上の結果から、自発分極の起源はDyPOM内のジスプロシウムイオンの偏りによるものであり、DyPOMは単分子で誘電ヒステリシスを示すことが明らかとなった。このような、強誘電的なヒステリシス特性を有するDyPOMは、分極情報の保持を行う分子メモリとして用いることができる。 From the above results, it has been clarified that the origin of spontaneous polarization is due to the bias of dysprosium ions in DyPOM, and DyPOM exhibits dielectric hysteresis as a single molecule. The DyPOM having such a ferroelectric hysteresis characteristic can be used as a molecular memory that holds polarization information.
<磁化率>
図10は得られたDyPOMについて、交流磁化率の温度依存性を測定した。測定には、超伝導量子干渉磁束計(QUANTUM DESIGHN社製、MPMS-XL)を用い、2K〜12Kの温度において、周波数が1Hz〜1000Hzで、2Oeの交流磁場を印加して測定した結果を示している。図10には単分子磁石に特有の周波数分散が出現し、単分子磁石となることが確認された。このようにDyPOMは、単分子磁石となることが確認され、磁気情報を保持する分子メモリとなることが明らかとなった。
<Magnetic Susceptibility>
In FIG. 10, the temperature dependence of the AC magnetic susceptibility of the obtained DyPOM was measured. For the measurement, a superconducting quantum interference magnetometer (manufactured by QUANTUM DESIGHN, MPMS-XL) was used, and at a temperature of 2K to 12K, the frequency was 1 Hz to 1000 Hz, and an alternating magnetic field of 2 Oe was applied. ing. In FIG. 10, frequency dispersion peculiar to the single molecule magnet appeared, and it was confirmed that the single molecule magnet was obtained. As described above, it was confirmed that DyPOM was a single molecule magnet, and it became clear that it was a molecular memory that holds magnetic information.
得られたDyPOMは、分極情報と磁気情報とをそれぞれ独立して保持することが可能であり、分極情報と磁気情報とを保持するマルチビット分子メモリとなり得る。 The obtained DyPOM can independently hold polarization information and magnetic information, and can be a multi-bit molecular memory that holds polarization information and magnetic information.
本発明の単分子マルチフェロイック物質は、分子メモリに求められる特性を有し、マルチビット分子メモリ等として有用である。 The unimolecular multiferroic substance of the present invention has characteristics required for a molecular memory, and is useful as a multibit molecular memory or the like.
101 クラスター骨格
102 ジスプロシウムイオン
111 連通孔
113 包接部
101 Cluster skeleton 102 Dysprosium ion 111 Communication hole 113 Inclusion part
Claims (6)
外部電場を印加することにより、前記ジスプロシウムイオンの包接位置の入れ替えによる分極方向の反転を行うことができ、外部電場が印加されていない状態において分極方向を保持する、マルチフェロイック分子メモリ。 Comprising the multiferroic material of claim 1,
A multiferroic molecular memory capable of reversing the polarization direction by exchanging the inclusion position of the dysprosium ion by applying an external electric field and retaining the polarization direction in the state where the external electric field is not applied.
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