マイクロ波共振法を用いた有機半導体材料の界面局所伝導度測定法の開発

• Project/Area Number: 16J10857
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Functional solid state chemistry
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 筒井 祐介 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2018: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2017: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2016: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 有機半導体 / マイクロ波 / 伝導度 / 界面 / 移動度 / TRMC / マイクロ波伝導度測定法 / チエノアセン

Outline of Annual Research Achievements

マイクロ波領域の電磁波を用いてさまざまな有機半導体の電子伝導特性を評価可能な非接触伝導度測定法を開発した。化学ドープによる伝導度変調に対する複合電磁波分光法を設計し、ヨウ素ドープ下のP3HT中の電荷キャリアのスピン状態ならびにそれぞれのキャリアの移動度を計測に成功した。ドープの初期においてP3HTの内部にpolaronが形成していることがスピン密度の増加ならびにUV-Vis-NIR吸収測定により確認されたが、伝導度信号は微増に留まった。ドープの後期においては、スピン密度が極大を迎えたのち緩和時間と共に減少していることから、polaron pairの形成が進行していると判断された。伝導度信号はpolaron pairの成長に伴って大きく増加し、最終的に80-100 S cm-1に到達したことからpolaron、polaron pairの移動度がそれぞれ2 x 10^(-3)、0.6 cm^2/Vs程度であると見積もられた。この化学ドープを基盤とした新規なマイクロ波測定法CD-TRMCは広範な有機材料の評価にも有用であると期待される。
これと並行して、新規に合成されたC-AntPyとN-AntPy という2種類のCovalent Organic Framework (COF)の電気特性をマイクロ波伝導度測定法により評価した。これらのCOFはπ共役系の発達したピレンとアントラセンを共通の基本骨格とした異性体であるにもかかわらずドーパントに対する応答性が大きく異なることが示されている。難溶性であることが多いCOFは、一般に測定に足る薄膜の作成や単結晶化が極めて困難であるという問題を反応系中での直接薄膜化により解決し、その構造特異的な電気特性を評価した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Universite Libre de Bruxelles/University of Mons(Belgium)
• [Journal Article] Impact of the position of the imine linker on the optoelectronic performance of マ?-conjugated organic frameworks (2019)
  • Author(s): S. Ghosh, Y. Tsutsui, K. Suzuki, H. Kaji, K. Honjo, T. Uemura, and S. Seki
  • Journal Title: Mol. Syst. Des. Eng. Volume: 4(2) Issue: 2 Pages: 325-331
  • DOI: 10.1039/c8me00079d
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Landscape of Charge Carrier Transport in Doped Poly(3-hexylthiophene): Noncontact Approach Using Ternary Combined Dielectric, Paramagnetic, and Optical Spectroscopies (2018)
  • Author(s): Tsutsui Yusuke、Okamoto Haruka、Sakamaki Daisuke、Sugiyasu Kazunori、Takeuchi Masayuki、Seki Shu
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 9 Issue: 13 Pages: 3639-3645
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b01465
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation and Photodynamic Behavior of Transition Metal Dichalcogenide Nanosheet-Fullerene Inorganic-Organic Nanohybrids on Semiconducting Electrodes (2018)
  • Author(s): J. Baek, T. Umeyama, W. Choi, Y. Tsutsui, H. Yamada, S. Seki, and H. Imahori
  • Journal Title: Chem. Eur. J. Volume: 24 Issue: 7 Pages: 1561-1572
  • DOI: 10.1002/chem.201703699
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Complex permittivity analysis revisited: Microwave spectroscopy of organic semiconductors with resonant cavity (2017)
  • Author(s): W. Choi, Y. Tsutsui, T. Sakurai, and S. Seki
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 110 Issue: 15 Pages: 153303-153303
  • DOI: 10.1063/1.4980078
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Quantitative evaluation of spatial scale of carrier trapping at grain boundary by GHz-microwave dielectric loss spectroscopy (2017)
  • Author(s): W. Choi, Y. Tsutsui, T. Miyakai, T. Sakurai, S. Seki
  • Journal Title: Journal of Physics Conference Series Volume: 924 Pages: 012002-012002
  • DOI: 10.1088/1742-6596/924/1/012002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tetraaza[14]- and Octaaza[18]paracyclophane: Synthesis and Characterization of Their Neutral and Cationic States (2017)
  • Author(s): D. Sakamaki, A. Ito, Y. Tsutsui, S. Seki
  • Journal Title: Journal of Organic Chemistry Volume: 82 Issue: 24 Pages: 13348-13358
  • DOI: 10.1021/acs.joc.7b02437
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In-situ Analysis of Microwave Conductivity and Impedance Spectroscopy for Evaluation of Charge Carrier Dynamics at Interfaces (2017)
  • Author(s): W. Choi, J. Inoue, Y. Tsutsui, T. Sakurai, and S. Seki
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 111 Issue: 20 Pages: 203302-203302
  • DOI: 10.1063/1.5003207
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical and Structural Properties of ESIPT Inspired HBT-Fluorene Molecular Aggregates and Liquid Crystals (2017)
  • Author(s): V. S. Padalkar, Y. Tsutsui, T. Sakurai, D. Sakamaki, N. Tohnai, K. Kato, M. Takata, T. Akutagawa, K.-i. Sakai, S. Seki
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 121 Issue: 45 Pages: 10407-10416
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b08073
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rapid Evaluation of Electron Mobilities at Semiconductor-Insulator Interfaces in an Ambient Atmosphere by a Contactless Microwave-Based Technique (2017)
  • Author(s): J. Inoue, Y. Tsutsui, W. Choi, K. Kubota, T. Sakurai, and S. Seki
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 2 Issue: 1 Pages: 164-170
  • DOI: 10.1021/acsomega.6b00428
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Unraveling Unprecedented Charge Carrier Mobility through Structure Property Relationship of Four Isomers of Didodecyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene (2016)
  • Author(s): Y. Tsutsui, G. Schweicher, B. Chattopadhyay, T. Sakurai, J.-B. Arlin, C. Ruzié, A. Aliev, A. Ciesielski, S. Colella, A. R. Kennedy, V. Lemaur, Y. Olivier, R. Hadji, L. Sanguinet, F. Castet, D. Beljonne, J. Cornil, P. Samorì, S. Seki, and Y. H. Geerts
  • Journal Title: Adv. Mater. Volume: 28 Issue: 33 Pages: 7106-7114
  • DOI: 10.1002/adma.201601285
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Preferential Formation of Columnar Mesophases via Peripheral Modification of Discotic π-Systems with Immiscible Side Chain Pairs (2016)
  • Author(s): Tsuneaki Sakurai, Yusuke Tsutsui, Kenichi Kato, Masaki Takata, Shu Seki
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry C Volume: 4 Issue: 7 Pages: 1490-1496
  • DOI: 10.1039/c6tc00021e
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] マイクロ波複合分光法を用いたポリチオフェン中の電荷輸送特性評価 (2017)
  • Author(s): 筒井 祐介, 岡本 悠, 崔 旭鎮, 櫻井 庸明, 酒巻 大輔, 関 修平
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] マイクロ波伝導度とインピーダンスの同時計測による有機半導体への注入障壁解析 (2017)
  • Author(s): 崔 旭鎮, 筒井祐介, 櫻井庸明, 関 修平
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] グラフェンの電荷輸送特性におけるドメインサイズ依存性 (2017)
  • Author(s): 西山 颯, 竹内友宏, 筒井祐介, 崔 旭鎮, 櫻井庸明, 小川友以, 上野裕子, 関 修平
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] p-n接合界面における局所的電荷キャリアダイナミクス評価 (2017)
  • Author(s): 井上純一, 筒井祐介, 崔 旭鎮, 櫻井庸明, 関 修平
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 電子スピン/誘電損失同時測定による有機半導体キャリアダイナミクス解析 (2017)
  • Author(s): 岡本悠, 筒井祐介, 崔 旭鎮, 酒巻大輔, 櫻井庸明, 関修平
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] マイクロ波分光法をもとにした物質・分子の非接触・非破壊計測と検出 (2016)
  • Author(s): 筒井 祐介、崔 旭鎮、櫻井 庸明、関 修平
  • Organizer: NTTサイエンスプラザ2016
  • Place of Presentation: 神奈川県NTT物性科学基礎研究所
  • Year and Date: 2016-11-23
• [Presentation] Structure-Property Relationship of Thienoacenes Using Time-Resolved Microwave Conductivity (2016)
  • Author(s): Yusuke Tsutsui, Tsuneaki Sakurai, Shu Seki
  • Organizer: Solvay Workshop on "Charge, spin, and heat transport in organic semiconductors"
  • Place of Presentation: Belgium, ULB
  • Year and Date: 2016-11-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイクロ波を用いた低分子有機半導体の局所伝導度評価法の開発 (2016)
  • Author(s): 筒井 祐介、崔 旭鎮、櫻井 庸明、関 修平
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 新潟県朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-12
  • Invited