日本東北大學多元物質科學研究所的小野寺希望（研究生院工學研究科）、出倉駿助教、芥川智行教授、佐藤鐵助教，該校工學部本科生增子美侑（研究當時），以及金澤大學奈米材料研究所的水野元博教授與該校理工研究域物質化學系的栗原拓也助教等人的聯合研究團隊，首次在既能像固體般保持形態、內部分子又能像液體般旋轉的物質——「塑晶」中，捕捉到了施加電場會改變分子的「取向」及「形狀」，且該狀態能夠保持的獨特電響應現象。該成果如同用電信號來控制分子的「取向」和「形狀」這兩個開關，為實現比傳統記憶體能夠處理更多資訊的多值記憶體開闢了道路。相關研究成果已發表在期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
圖1. 展示塑晶特徵的概念圖。塑晶中，分子的質量中心位置像固體一樣有序，而分子取向像液體一樣無序，並進行著劇烈的旋轉運動。相對地，液晶則像固體一樣分子取向有序，而分子位置像液體一樣無序，與塑晶呈現出對照性的狀態。（供圖：東北大學）
目前大多數記憶體通過0或1所表示的兩種狀態（二值）來存儲資訊，但如果能在一個元件中區分更多狀態（例如0、1、2、3四值等），則可以飛躍性地提升存儲密度。研究團隊聚焦於作為此類多值記憶體材料候選的塑晶。該物質呈現一種雖處於固態，但構成分子在晶格中能相對自由地旋轉的兼具固體與液體性質的獨特狀態。這種分子的易動性雖蘊藏著對電刺激作出快速響應的可能性，但另一方面，由於分子運動過於自由，過去一直認為即便以電方式寫入資訊，資訊也會很快消失。
此次，研究團隊聚焦於易獲取且結構簡單的有機分子「琥珀腈（SN）」的塑晶相，在對SN施加外部電壓時的電響應進行精密測量後，觀察到了電極化隨電壓施加方式不同而不同的滯後現象。這一現象提示該物質存儲了所施加電壓的歷史，成為邁向記憶體功能應用的第一步。
SN的軟粘性塑晶相所表現的滯後現象與通常的鐵電體不同，呈現出具有兩階段結構的雙重P-E滯後回線這一極為罕見的形態。研究團隊對這種具有雙面性的電響應的起源進行詳細研究後發現，SN分子所具有的兩種不同自由度參與了這一現象。其一是分子整體取向（定向）隨電場發生變化，另一個是分子內部結構變化的形狀（構形）改變。SN分子呈細長形，卻可形成部分彎曲的順式（Gauche，有極性）與完全伸展的反式（Trans，非極性）兩種形狀（構形異構物）。研究發現，當施加外部電場時，這些分子不僅取向趨於一致，分子的形狀也會發生變化，二者的組合引發了雙重滯後這一獨特現象的產生。
換言之，該物質具備針對電信號的「分子取向改變」開關與「分子形狀改變」開關的兩種機制，且通過這些機制的階段性響應，顯示出區分多種狀態的可能性。
今後，通過進一步優化材料設計，有望推動該物質作為基於新原理的器件實現實用化。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Journal of the American Chemical Society
論文：Ferroelectric-like Polarization Switching in Plastic Crystalline Succinonitrile
DOI：10.1021/jacs.5c04778
