Research Abstract


Above-room-temperature ferroelectricity and antiferroelectricity in benzimidazoles

2012年12月18日 Nature Communications 3 : 1308 doi: 10.1038/ncomms2322

イミダゾール骨格は、化学的に安定で、生物系の至るところに存在し、そのプロトン供与基とプロトン受容基が容易に結合して、双極子鎖が形成される。今回我々は、こうした両性分子の鎖の多くが、結晶状態であっても、プロトン互変異性を通して、電気的極性が双安定となり、電気的にスイッチングできることを実証している。分極-電場(P-E)ヒステリシス実験によって、5~10μC cm-2という高い電気分極が室温で生じることが明らかになっている。こうした分子のうち、2-メチルベンゾイミダゾールでは、結晶対称性が擬正方晶であるため、二次元での強誘電性スイッチングが可能になる。この強誘電性は400 Kまで熱的に安定であり、5,6-ジクロロ-2-メチルベンゾイミダゾールも同様である(約373 Kまで)。対照的に、ほかの3種のベンゾイミダゾールは、反強磁性体の特徴である二重のP-Eヒステリシス曲線を示す。このようなイミダゾール置換基の多様性は、構造と特性の相関性の系統的な探究や、鉛やレアメタルを含まない強誘電デバイスの探索におけるドメインエンジニアリングの刺激となりそうである。

堀内 佐智雄1,2, 賀川 史敬2,3, 畑原 健佑3, 小林 賢介4, 熊井 玲児2,4, 村上 洋一4 & 十倉 好紀3,5

  1. 独立行政法人 産業技術総合研究所(AIST)
  2. 独立行政法人 科学技術振興機構(JST)CREST
  3. 東京大学大学院 工学系研究科 物理工学専攻
  4. 大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構(KEK) 物質構造科学研究所 構造物性研究センター(CMRC)および放射光科学研究施設
  5. 独立行政法人 理化学研究所 基幹研究所 物質機能創成研究領域 交差相関物性科学研究グループ(CERG)
The imidazole unit is chemically stable and ubiquitous in biological systems; its proton donor and acceptor moieties easily bind molecules into a dipolar chain. Here we demonstrate that chains of these amphoteric molecules can often be bistable in electric polarity and electrically switchable, even in the crystalline state, through proton tautomerization. Polarization–electric field (P–E) hysteresis experiments reveal a high electric polarization ranging from 5 to 10 μC cm−2 at room temperature. Of these molecules, 2-methylbenzimidazole allows ferroelectric switching in two dimensions due to its pseudo-tetragonal crystal symmetry. The ferroelectricity is also thermally robust up to 400 K, as is that of 5,6-dichloro-2-methylbenzimidazole (up to ~373 K). In contrast, three other benzimidazoles exhibit double P–E hysteresis curves characteristic of antiferroelectricity. The diversity of imidazole substituents is likely to stimulate a systematic exploration of various structure–property relationships and domain engineering in the quest for lead- and rare-metal-free ferroelectric devices.