研究

東工大ニュース

カラムナー液晶においてカラム軸に平行な自発分極を持つ強誘電性を確認 ―超高密度メモリー素子への挑戦-

2012.04.13

要約

東京工業大学大学院理工学研究科の竹添秀男教授、荒岡史人助教は、東京大学大学院工学系研究科の相田卓三教授、宮島大吾博士課程学生らとの共同研究で、世界で初めて、強誘電性カラムナー液晶材料の開発に成功いたしました。この物質を利用することで、従来とはまったく異なる方法で簡便に超高密度メモリー素子を作製できることが期待されます。また、強誘電性材料の開発に今までにないアプローチを与えるほか、液晶材料の新たな応用可能性を提示するものです。これまでに多くの研究者が試みてきたにもかかわらず、誰も実現できなかった強誘電性カラムナー液晶を実現したという意味で、基礎科学的にも極めて重要な成果です。本研究成果は、4月13日付の米国科学雑誌「Science」電子版に掲載されました。

研究の内容,背景,意義,今後の展開等

研究成果

強誘電性カラムナー液晶材料の設計・合成および物理測定を行い、強誘電性の確認に成功しました。この強誘電性を可能にしたのは、円錐状分子集合体を形成し、積み重なることでコア-シェル構造のカラムを形成するような、扇形の分子設計(図1(a))です。コア-シェル構造のコア部ではカラム中心(円錐頂点)に位置するシアノ基が分極を担い、シェル部では嵩高い側鎖が円柱間の相互作用を制御し液晶性を担います(図1(b))。コアとシェルの中間にはアミド基のネットワークがあり、これによりカラム軸方向の分子間水素結合が中央の分極を安定化させる設計になっています(図1(c))。安定化が弱いと電場を切った時に分極を保持できず、かといって安定化が強すぎると分極を反転させることができなくなってしまいますが、類似化合物を多数合成した結果、絶妙なバランスによりこれが達成できることを発見しました。強誘電性の確認には、分極反転電流測定(P-Eヒステリシス測定)のほか、これまで多くの研究者が見誤ったイオン電流の効果を排除するため、我々が得意とする光第二高調波発生法を用いました。この手法により、分極の発生、保持、反転の挙動をガラス基板でサンドイッチした試料だけでなく、自己保持膜でも確認することができました。

研究の背景と経緯

液晶が発見されてから120年余が経ちましたが、現在では「液晶」と言えば「液晶ディスプレイ」を指すほど、液晶の応用は表示素子に特化されています。今では、薄型テレビのうち約9割、パソコン用ディスプレイではほぼ全ての出荷が液晶表示素子によるものです。しかしながら、液晶そのものの応用はディスプレイにとどまりません。液晶ならではの、自己組織性、環境による構造制御性などといった特性を利用し、様々な応用が検討されています。今回の強誘電性カラムナー液晶の発見によってもたらされるもう一つの応用可能性が高密度メモリー素子です。

近年の情報社会におけるデータ量の飛躍的増大に伴い、高密度メモリー素子の開発は必要不可欠となっています。そのような高密度メモリーとして、磁気ディスク、半導体素子、光記録素子、強誘電体素子などが研究・開発され、実際に我々の身の回りで使われているものも多くあります。今回の我々の報告にあるような自己組織化の可能な液晶材料は、ほぼ分子サイズという細かい記録(=高記録密度)を与えることが可能となる(図2)ほか、塗布などによる簡便なデバイス作製プロセス、貴金属元素フリー、軽量化などの多くの利点があると考えられます。このような目的を達成するために世界中の多くの研究者が努力していましたが、原理的な難しさが故に半ばあきらめられかけていました。今回の報告はこのような「カラムナー液晶からなる強誘電材料」を実現したものです。

本研究の意義、今後の展開

本研究では、分子設計からスタートし強誘電性を確認するまでを一貫して行ってきましたが、電場による分子の反転ダイナミクスや、分極の安定化に至る詳細な物理メカニズムは明確にはなっていません。また、カラムナー液晶における極性構造に関する理論も確立されておらず、さらなる発展のためには、こうした基礎的な知見を得るための測定解析・理論構築が必要です。

応用面では、上述の通り、液晶性や電場による分子配向性により、全く新しいタイプの高密度メモリー素子を作製できると期待できます。例えば、塗布など溶液プロセスによる強誘電素子の作製が可能となるほか、無機材料と異なり貴金属元素を必要としないので、生産コストを削減できると考えられます。また、一本一本のカラムの分極を制御することができた場合、単純に一本のカラムが1ビットを表すとすると、カラム同士の間隔(約4.58ナノメートル)から約36Tbit/平方インチの高密度メモリーが実現できることになります。これはブルーレイディスクの千倍以上、考えられるメモリー密度として最大級のものになります。実用化には、安定した記録・読み出し技術など、様々な困難が予想されますが、近年の科学技術の発達はすでに分子オーダーでの観察測定やマニピュレーションを可能にしており、これは決して夢物語ではありません。

図1: 今回開発した扇形の分子(a)。この分子が3~4個集まった円錐状の分子集合体(b)が積み重なることによって、
分極が安定化されたコアシェル型カラム構造(c)が形成される。

図2: 強誘電性カラムナー液晶材料による高密度メモリー素子の動作イメージ

用語説明

強誘電性・強誘電体

強誘電性とは外部電場をかけていない状態でも電気分極を保持でき、かつ外部電場に応じて電気分極の極性を反転することが出来る性質を指します。この電場を印加されるまで電気分極(プラス・マイナス)を保持できる性質は不揮発メモリーとして利用できます。強誘電体とは強誘電性をもつ物質群の総称です。

液晶・カラムナー相

液晶とは結晶と液体の中間的な状態を指し、基本的には有機物から成ります。さらに液晶は形成する秩序構造により分類され、今回発見された液晶のようにカラム構造を形成するものはカラムナー相に分類されます。表示素子として利用されている液晶はほとんどがネマチック相に分類されるものです。

溶液プロセス

溶液プロセスは真空条件を必要としないため低コストで済みます。また大面積のデバイス作成に優れており、単位あたりのコストを下げることができます。

Tbit

T(テラ)は1兆を表し、bit(ビット)は1と0で表現される記憶の最小単位です。ブルーレイのメモリー密度は約20 Gbit/平方インチ前後になります。ギガ(G)はテラの1千分の1です。

本件に関するお問い合せ先
教授 竹添秀男、助教 荒岡史人
大学院理工学研究科 有機・高分子物質専攻
電話: 03-5734-2436   FAX: 03-5734-2876
E-mail: takezoe.h.aa@m.titech.ac.jp
URL: http://www.op.titech.ac.jp/lab/Take-Ishi/index.htmlouter