【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.12】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24MS0028
利用課題名 / Title
強相関電子系BEDT-TTF分子性導体のモット絶縁体転移における歪み効果の解明
利用した実施機関 / Support Institute
自然科学研究機構 分子科学研究所 / IMS
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed
キーワード / Keywords
有機超伝導体,金属絶縁体転移,一軸歪,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control,エレクトロデバイス/ Electronic device,超伝導/ Superconductivity
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
伊東 裕
所属名 / Affiliation
名古屋大学大学院工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
馬場 勇佑
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
山本 浩史
利用形態 / Support Type
（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
BEDT-TTF 分子から形成される有機モット絶縁体は、分子軌道に由来する明快な電子構造をもち、柔軟でキャリア密度が小さいため、様々な外場制御による強相関電子系研究の舞台として注目されてきた。特に近年、BEDT-TTF ２量体が形成する２次元三角格子(図１)の移動積分比t’/t に依存してモット絶縁体の性質がκ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Cl (t’/t~0.6, 以下Cl 塩)における反強磁性[1]から、κ-(BEDTTTF)2Cu2(CN)3 (t’/t~1、以下CN 塩)におけるスピン液体[2]、あるいは非磁性状態に変化する可能性[3]が指摘され、隣接する超伝導状態との関係が注目を集めている。本研究では、Cl 塩とCN 塩の中間の三角格子異方性(t’/t~0.8)をもつκ-(BEDTTTF)2Cu(NCS)2 を取り上げ、単結晶を貼り付けた基板を曲げることにより加えた一軸歪による２次元三角格子の異方性の変化に伴う電気抵抗および磁気特性の系統的の測定を行う。引張歪下で現れるモット絶縁体状態の性質を解明し、三角格子異方性の関数としてCl 塩とCN 塩を含めたκ型BEDTTTF塩の金属絶縁体転移・超伝導相図を理解することを目指す。
実験 / Experimental
この方法で歪を加えるには、数百nm以下の十分薄い試料を作製する必要がある。分子研の山本グループの所有する平型電解セルを用いて、BEDT-TTFと支持電解質を溶かした溶液に１晩通電することにより、κ-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 の薄片試料を作製した。これを溶液から掬い上げ、図２左のようにプラスチック基板上に貼り付けた。この基板を小さく切り、歪治具に挟んで凸面に曲げることにより、引張歪を印加した。歪の大きさは名古屋大学に設置されたレーザー顕微鏡により直接試料の全長の変化を測定することで評価した。そして図２右に示すように治具にはさんだ状態で名古屋大学の幣研究室において電気抵抗の4端子測定を行い、歪の関数として常圧での金属状態から絶縁体への相転移が見られるか調べた。
結果と考察 / Results and Discussion
引張歪下での電気抵抗の測定の結果、図３に示すようにひずみの増加とともに金属的な温度依存性を示す領域が狭まり、0.75%の歪下では金属的挙動がほぼ抑えられた。κ-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2において初めて、金属状態に隣接した絶縁相を観測することに成功した。しかし絶縁体への転移の臨界歪は試料ごとに異なり、図４のように金属的伝導が早く消失する試料もあった。κ型BEDT-TTF塩の金属絶縁体転移はκ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Brに見られるようにBEDT-TTFの末端エチレン部分のディスオーダーの影響等によって冷却速度依存性を示すことがある。今回の測定では0.3 K/minの一定の冷却速度で実験したが、今後は100K付近でアニールさせる実験等により、試料依存性の起源について検討したい。引張歪により絶縁状態が得られたため、その磁気的性質を解明するため、別課題（JPMXP1224MS1076）の分子研機器利用により歪を加えた状態での電子スピン共鳴測定を行った。１個の試料では十分なESR信号が得られなかったため、数個の試料を軸方向を揃えて基板上に並べ歪を印加した。しかし、測定の結果、幅の狭いキュリースピンが観測されたのみで、歪下の試料単結晶本来のバルク起源の幅の広いシグナルはほとんど覆い隠されてしまう結果となった。キュリースピンは、不純物あるいは欠陥由来と考えられ、試料を並べる際に先に並べた試料が溶けだし、欠陥が入ったことが考えられる。試料の並べ方の工夫が必要である。 また、ESR以外の手法による磁気的特性測定も検討したい。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図１ BEDT-TTF ２量体が形成する２次元三角格子
図２ PEN基板上に貼り付けた単結晶試料(左)と引張歪下の電気抵抗測定法(右)
図３ 引張歪下で測定された電気抵抗。矢印よりも低温側が金属（フェルミ液体）的な温度依存性を示す領域
図４ 別試料で観測された、0.5% 引張歪下での絶縁体的電気伝導特性
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
参考文献 [1] Miyagawa et al., Phys. Rev. Lett. 75, 1174 (1995). [2] Shimizu et al., Phys. Rev. Lett. 91, 107001 (2003). [3] Miksch et al., Science 372, 276 (2021).
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件