(57)【要約】【課題】産業上の実現性が高い有機磁性材料を提供する。【解決手段】本発明に係る有機磁性材料は、端に化学修飾が施され、この端を含む対面する２つの端の間で磁気的な非対称性が与えられた磁性グラフェン１からなるものである。端は、ジグザグ端であることが好ましい。化学修飾は、一方側の端の末端基がＣＨ基又はＮ基のいずれか又は両方であり、他方側の端の末端基がＣＨ２基又はＮＨ基のいずれか又は両方である状態にするものであることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラフェンの対面する第１及び第２の端の少なくとも一方に、前記第１及び第２の端の間で磁気的な非対称性を生ずる化学装飾が施された磁性グラフェンからなる有機磁性材料。
【請求項２】
前記第１及び第２の端は、ジグザグ端である、
請求項１記載の有機磁性材料。
【請求項３】
前記化学修飾は、前記端のうちどちらか一方の端の末端基をＣＨ基とし、他方の端の対応する部分の末端基をＣＨ２基とするものである、
請求項１又は２記載の有機磁性材料。
【請求項４】
前記化学装飾は、前記端のうちどちらか一方の端の末端基をＣＨ基とし、他方の端の対応する部分の末端基をＮＨ基とするものである、
請求項１又は２記載の有機磁性材料。
【請求項５】
前記磁性グラフェンは、分子量が５００〜５００００である、
請求項１〜４のいずれか１つに記載の有機磁性材料。
【請求項６】
グラフェンの一方の端を第１の末端基群とし、他方の端を前記第１の末端基群に対して磁気的な非対称性を生ずる第２の末端基群とする化学修飾が施された磁性グラフェンから磁性材料を製造する方法であって、
目標分子量よりも大きい分子量の大分子量グラフェンを生成する第１の工程と、
前記大分子量グラフェンの端を前記第２の末端基群にする修飾を行う第２の工程と、
前記第２の工程において修飾された前記大分子量グラフェンを前記目標分子量となるように破砕し、該破砕により生成されたグラフェンの新たに現れた端を前記第１の末端基群にする修飾を行う第３の工程と、
を備える有機磁性材料の製造方法。
【請求項７】
前記第３の工程により生成された前記磁性グラフェンを、所定の磁石により磁着させる第４の工程、
更に備える請求項６記載の有機磁性材料の製造方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機元素からなる磁性材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の一般的な磁性材料は、鉄、コバルト等の磁性元素、又はネオジウム等の磁性希土類元素からなるものである。これらの元素は重元素であるため、これらから製造される磁性材料は重くならざるを得ない。また、特にコバルトやネオジウムは、地球資源的に存在量が少なく、高価なものである。
【０００３】
そこで、軽量で存在量が豊富な炭素、水素、窒素等の有機元素から磁性材料を製造することが望まれており、その研究開発が進められている。例えば、非特許文献１において、炭素フラーレンを重合することにより、常温で自発磁化が生ずることが示されている。また、非特許文献２において、グラファイトにプロトン粒子をイオン打ち込みすることにより、常温で自発磁化が生ずることが示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Nature誌  413巻  716頁
【非特許文献２】Physical Review Letters誌  91巻  論文番号227201
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記先行技術に係る有機材料からなる磁性材料は、再現性（収率）が極めて低いという問題を有する。また、イオン打ち込み等のプロセスを必要とするため、製造コストが多大となる問題もある。これらのことから、産業上の実現性が極めて低いものである。
【０００６】
そこで、本発明は、産業上の実現性が高い有機磁性材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題の解決を図るものであり、グラフェンの対面する第１及び第２の端の少なくとも一方に、前記第１及び第２の端の間で磁気的な非対称性を生ずる化学装飾が施された磁性グラフェンからなる有機磁性材料である。
【０００８】
グラフェンの一方の端に、対面する他方の端とは異なる化学修飾を施すことにより、１つの分子の中で磁気的な非対称性を有する磁性グラフェンを生成することができる。このような磁性グラフェンを複数生成し、各磁性グラフェンの磁束方向を揃えることにより、１つの磁性材料を製造することができる。このように製造された磁性グラフェン及び磁性材料は、常温で自発磁化を生じ、強磁性又はフェリ磁性を有する。このような現象は、グラフェンの極めて高い電子移動度が１つの要因となって生ずると推測される。また、グラフェンの生成、端への化学修飾、磁性グラフェンの磁束方向の統一等の作業は、比較的容易且つ安価な手法により実現することができ、その再現性、収率も高い。
【０００９】
また、前記端は、ジグザグ端であることが好ましい。
【００１０】
グラフェンの端は、ジグザグ端又はアームチェア端となるが、ジグザグ端では局在する非結合π電子が存在し、エッジ状態と称される弱いながらも磁性を有する状態となる。そのため、上記磁気的な非対称性を、アームチェア端よりも容易且つ強く生じさせることができる。
【００１１】
また、前記化学修飾は、前記端のうちどちらか一方の端の末端基をＣＨ基とし、他方の端の対応する部分の末端基をＣＨ２基とするか、他方の端の対応する部分の末端基をＮＨ基とするものであることが好ましい。
【００１２】
これにより、１つのグラフェン分子に磁気的な非対称性を生じさせることができる。
【００１３】
また、前記磁性グラフェンは、分子量が５００〜５００００であることが好ましい。
【００１４】
上記範囲の分子量であれば、生成される磁性グラフェンがナノメータサイズとなる。ナノメータサイズの磁性グラフェンにおいては、上記のような端の構造による効果が特に強く現れる。また、ナノメータサイズであれば、化学合成による量産も可能で収率も高い。
【００１５】
また、本発明は、一方の端を第１の末端基群とし、他方の端を前記第１の末端基群に対して磁気的な非対称性を生ずる第２の末端基群とする化学修飾が施された磁性グラフェンから磁性材料を製造する方法であって、目標分子量よりも大きい分子量の大分子量グラフェンを生成する第１の工程と、前記大分子量グラフェンの端を前記第２の末端基群にする修飾を行う第２の工程と、前記第２の工程において修飾された前記大分子量グラフェンを前記目標分子量となるように破砕し、該破砕により生成されたグラフェンの新たに現れた端を前記第１の末端基群にする修飾を行う第３の工程とを備えるものである。
【００１６】
上記製造方法によれば、端への化学修飾と、グラフェンの分子量調整とを効率的に行うことができる。例えば、最初に目標分子量のグラフェンを生成し、その後に各グラフェンに対して第１及び第２の末端基群の化学修飾を行う場合に比べ、作業は格段に容易となる。
【００１７】
また、上記製造方法において、前記第３の工程により生成された前記磁性グラフェンを、所定の磁石により磁着させる第４の工程を、更に備えることが好ましい。
【００１８】
これにより、磁性グラフェンを高収率で収集すると共に、その磁束方向を効率的に揃えることが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、グラフェンを用いた有機磁性材料を提供することができる。この有機磁性材料は、軽量且つ安価なものとなる。また、高い再現性、収率を備えるものであり、産業上での高い実現性を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る磁性グラフェンの分子構造を示す図である。
【図２】本実施の形態１に係る磁性グラフェンのスピン密度分布を示す図である。
【図３】本実施の形態１に係る磁性グラフェンの磁化ヒステリシスを示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態２に係る磁性グラフェンの分子構造を示す図である。
【図５】グラフェンの分子構造を示す図である。
【図６】コロネンの分子構造を示す図である。
【図７】グラフェンのスピン密度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る磁性グラフェン１の分子構造を示している。この磁性グラフェン１は、本発明に係る有機磁性材料の構成要素となる。
【００２２】
ここで、図５において、コロネン１０１の分子構造が示されている。また、図６において、グラフェン２０１の分子構造が示されている。コロネン１０１は、ベンゼン環が環状に６つ繋がった構造を有する平面分子であり、融点４３８℃、沸点５２５℃、分子量３００、常温で安定な固体である。図６に示すグラフェン２０１は、コロネン１０１を基本構成とし、（図中）横にベンゼン環を順次付加し、１６個のベンゼン環で構成されたものである。このグラフェン２０１の分子構造はＣ４８Ｈ１８（分子量５９５）であり、その融点は１０００℃を超え、常温での格子定数の温度変化は極めて小さく、安定な物質である。
【００２３】
上記グラフェン２０１の常温での磁性は、通常の環状有機材料と同様に、反磁性である。図７は、グラフェン２０１の分子軌道法によるスピン密度分布を示している。同図において、実線はアップスピンを示し、破線はダウンスピンを示す。これらアップスピン及びダウンスピンは、互い違いに並んでおり、合成したスピンがゼロ、即ちグラフェン２０１の自発磁化がゼロであることを示している。
【００２４】
ここで、図１に示す磁性グラフェン１は、図中上側のジグザグ端１０の３つの炭素１１，１２，１３が化学修飾され、２水素化されている。図２は、磁性グラフェン１のスピン密度分布を示している。同図から判るように、２水素化した３つの炭素１１，１２，１３におけるスピン密度は、ゼロである。一方、反対側のジグザグ端２０においては、全ての炭素が１水素化されており、これらの炭素のπ電子が残っているため、実線で示すアップスピンと、破線で示すダウンスピンとは交互に配列された状態となる。従って、磁性グラフェン１の分子全体において、３つのアップスピン５１，５２，５３が相殺されずに残ることとなる。これにより、磁性グラフェン１は、対面するジグザグ端１０，２０の間で磁気的な非対称性が存在するものとなる。
【００２５】
図３は、磁性グラフェン１の常温における磁化ヒステリシスを示している。同図に示す例では、飽和磁化が５ｅｍｕ／ｇ、保持力が５００エルステッドであり、強磁性を示している。
【００２６】
上記のように、グラフェン２０１の対面するジグザグ端に、非対称な化学装飾を施すことにより、常温で自発磁化を生ずる磁性グラフェン１を生成することができる。そして、複数の磁性グラフェン１を、磁束方向を揃えて集積することにより、１つの磁性材料を製造することができる。
【００２７】
以下に、磁性グラファイト１の製造方法例を示す。先ず、グラファイトを出発原料とし、３００〜５００℃の水蒸気雰囲気で剥離グラファイトを生成する。この剥離グラファイトに断応力をかけ、グラフェン単層又は複層からなるナノグラフェン原料を得る。このナノグラフェン原料の分子の大きさは、１０〜１００ｎｍである。その後、濃度５％以下の水素を含むアルゴン雰囲気で３００℃、５時間の水素化処理を行う。その後、粉砕機により粉体を数ｎｍの大きさまで破砕し、更に２００℃、３０分の水素化処理を行う。
【００２８】
上記のようにして得られた試料の磁化ヒステリシスは、上記図３に示すようになる。最初の５時間の水素化処理により、端が２水素化された比較的大きなグラフェンが得られる。そして、破砕後に行われる第２の水素化により、破砕により現れた端のみが１水素化される。これにより、磁気的に非対称なグラフェンが生成される。
【００２９】
また、破砕により得られたナノグラフェンを真空中で５５０℃に加熱し、試料の上方から方向性のある水素ガスを５ｃｃ／分で３０分流すことにより、グラフェンの端に２水素化を生じさせてもよい。
【００３０】
実施の形態２
図４は、本実施の形態に係る磁性グラフェン３０１の分子構造を示している。この磁性グラフェン３０１は、上記実施の形態１に係る磁性グラフェン１において２水素化された３つの炭素１１，１２，１３を、それぞれ窒素３１１，３１２，３１３に置換したものである。このような化学装飾によっても、上記実施の形態１と同様に、スピン密度がアンバランスであり、常温で自発磁化を生ずる磁性グラフェン３０１を生成することができる。
【００３１】
以下に、本実施の形態に係る磁性グラフェン３０１の製造方法例を示す。上記実施の形態１と同様に、剥離グラファイトを生成した後、水素の替わりにＮＨ３ガスを導入し、ＮＨ基による末端修飾を行う。その後、破砕によりナノグラフェンとし、２００℃、３０分の水素化処理を行う。これにより得られる試料の磁化ヒステリシスは、およそ２ｅｍｕ／ｇ、保持力はおよそ１２０エルステッドとなる。
【００３２】
尚、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能なものである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明によれば、極めて小型、軽量の磁性材料を製造することが可能となる。例えば、磁気テープ、ハードディスク等の記録媒体、リチウムイオン電池の電極、磁気偏光フィルム、常温磁性半導体デバイス等への応用が考えられる。
【符号の説明】
【００３４】
１，３０１  磁性グラフェン
１０，２０  ジグザグ端
１１，１２，１３  炭素
３１１，３１２，３１３  窒素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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