【本学研究者情報】

〇本学代表者所属・職・氏名：金属材料研究所・准教授・谷口　耕治
金属材料研究所・教授・宮坂　等
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 磁石の性質をもたない有機と無機ナノシートの積層構造から、光を用いたスピントロニクス^*1に向けた半導体材料を作ることに成功。
• 鏡像が自身と重なり合わないキラリティ^*2をもつ有機分子と、スピン^*3への強い効果をもつ重元素（原子番号の大きい元素）を含んだ無機化合物のハイブリッド化で達成。
• 光を当てると（原理的にはスピン方向が揃っている）電流が流れ始め、その方向が結晶の右・左のキラリティで決まることを発見。

【概要】

キラルな結晶構造を持ち、重元素から構成される物質は、非磁性であっても電子の磁石としての性質であるスピンによる磁気的性質が引き起こされうることから、以前より関心を集めていました。しかし、重元素から成る物質の大半が属する無機物では、自由にキラリティを選択して物質を合成することは非常に難しく、新しい物質の開発が期待されていました。

東北大学金属材料研究所の谷口耕治准教授、宮坂等教授らは、東京工業大学フロンティア材料研究所の笹川崇男准教授らとの共同研究により、二次元有機・無機ハイブリッドペロブスカイト^*4において、キラリティの制御が可能な重元素から成る新しい半導体の材料設計に成功し、結晶構造のキラリティを反映した光電流^*5が発生することを発見しました。

本研究では、重元素から成る無機骨格にキラルな有機分子カチオンを挿入する材料設計により、強いスピン・軌道相互作用^*6を持ちつつ、キラリティを制御可能な半導体を実現しました。今回開発した半導体では、光を照射すると、結晶の右・左のキラリティで流れる向きが変わる電流が発生することを初めて見出しました。この電流は、スピン・軌道相互作用によりスピンの向きが揃っていることが予想されています。

今後、光照射で磁化反転を制御出来るメモリデバイスのように、光を利用したスピントロニクスへの応用が期待されます。 　

本研究成果は、材料科学誌「Advanced Materials」（２０２１年３月２３日）に掲載されました。

【用語解説】

＊1 スピントロニクス： 電子の電荷とスピン（電子の磁石としての性質）の両方を利用した機能開拓を行う研究分野のこと。

＊2 キラリティ： 図形や物体の、その鏡像と重ね合わすことが出来ない性質のこと。右手と左手の関係のこと。

＊3 スピン： 電子の磁石としての性質のこと。

＊4 二次元有機・無機ハイブリッドペロブスカイト： 有機物と無機物から成る層状ペロブスカイト型構造をとる半導体のこと。結晶構造は、二価金属を中心としてハロゲン原子（周期表の17 族元素の総称。フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチンが相当。）が構成する八面体骨格が頂点共有して二次元的に広がった無機層で特徴付けられ、無機層の層数が異なる様々な類縁体が知られている。二次元有機・無機ハイブリッドペロブスカイト型構造では、無機層と有機アンモニウム分子カチオンからなる有機層が交互に積層した結晶構造となっている。

＊5 光電流： 物質に光を照射した際に流れる電流のこと。

＊6 スピン・軌道相互作用： 電子のスピン角運動量と、電子の軌道角運動量とが、互いの向きを固定しようとする相互作用のこと。原子番号の大きな元素で強い相互作用となる。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

◆研究内容に関して
東北大学金属材料研究所 錯体物性化学研究部門
准教授　谷口　耕治
TEL：022-215-2032
Email：taniguchi*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

東北大学金属材料研究所 錯体物性化学研究部門
教授　宮坂　等
TEL：022-215-2030
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