光誘起分極電流で駆動する光電変換素子

• Project/Area Number: 19J01990
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 32020:Functional solid state chemistry-related
• Research Institution: Hokkaido University (2021); Nagoya University (2019-2020)
• Principal Investigator: 横倉 聖也 北海道大学, 工学研究院, 助教
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 有機エレクトロニクス / 分極 / 光電変換 / 界面分極

Outline of Research at the Start

本研究では，有機絶縁体の分極を利用した超高速光情報変換へ応用可能な光電変換素子開発を目指す．まず，2つの電極をI層で絶縁したMISIMセルを用いて，キャリア注入無しで駆動する光電変換を試みる．これによりキャリア注入が不要で，I層の分極変化により駆動する光電変換が初めて実現する．さらに，分極誘起の対象を絶縁体とし，光によって直接I層の分極変化を誘起し電流を得る機構により高速光電変換を目指す．また，近赤外光を吸収する分子及び結晶からなる誘電体を設計，開発し，それらの薄膜の配向制御を行うことで，分極変化によってのみ動作するする光電変換を実現し，光情報通信に応用を目指す

Outline of Annual Research Achievements

有機光電変換は，低コスト，光センシングの可変性など多くの利点を持つが，有機半導体は大気中での安定性，キャリア移動度の低さなどの欠点がある．そこで，本研究では，金属（M）/絶縁体（I）/半導体（S）/絶縁体（I）/金属（M）からなるMISIM型光電変換セルを対象に研究を進めた．このセルはS/I/Mの界面をキャリアが通過することなく，純粋な分極電流を誘起できる．
これまで，材料の最適化が検討されているが，本研究では照射する変調光のON時間とOFF時間の比（duty比）をパラメータとし，MISIM型デバイスの光応答性を検討し，実用化に向けた光電変換の高速化・高効率化の指針を得ることを目的とした．0.2～2.0マイクロsの班にで変調光のON時間とOFF時間を独立に変化させることにより，過渡光電流の立ち上がり時間がduty比（D = ON時間/(ON時間＋OFF時間)）によって30％改善されることがわかった．また，1サイクルで発生する電荷キャリアはD = 0.5で最大となり，変調周波数の増加とともに時間平均が徐々に増加することを明らかにした．これらの特徴は，RC回路の簡易的な理論モデルでよく説明できる．
光電変換以外にも，MISIM型デバイスを用いた分極メモリを作製した．このデバイスはバルク分極を起源とする強誘電体とは異なり，I/S界面の界面分極が起源となり分極ヒステリシスを誘発する．よって，分極を持たない常誘電材料を積層し，外部電場を印可するだけで容易に分極メモリ効果が得られる．この素子の分極値はI層の静電容量と相関があり，材料選択により自由に分極値を制御可能だと期待される．分極値の巨大化や分極反転電圧の改善が今後の課題である．

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Institute of Experimental Physics,/Freie University Berlin(ドイツ)
• [Journal Article] Stabilization of Interfacial Polarization and Induction of Polarization Hysteresis in Organic MISIM Devices (2021)
  • Author(s): Yokokura Seiya、Tomimatsu Akihiro、Ishiguro Jun、Harada Jun、Takahashi Haruka、Takahashi Yukihiro、Nakamura Yuto、Kishida Hideo、Suizu Rie、Matsushita Michio M.、Awaga Kunio
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 13 Issue: 27 Pages: 31928-31933
  • DOI: 10.1021/acsami.1c08417
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electric and Thermosalient Properties of a Charge-Transfer Complex Exhibiting a Minor Valence Instability Transition (2020)
  • Author(s): Takahashi Yukihiro、Kondo Tsubasa、Yokokura Seiya、Takehisa Mika、Harada Jun、Inabe Tamotsu、Matsushita Michio M.、Awaga Kunio
  • Journal Title: Crystal Growth & Design Volume: 20 Issue: 7 Pages: 4758-4763
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.0c00516
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rate-determining process in MISIM photocells for optoelectronic conversion using photo-induced pure polarization current without carrier transfer across interfaces (2019)
  • Author(s): Tomimatsu Akihiro, Yokokura Seiya, Reissig Louisa, Dalgleish Simon, Matsushita Michio M., Awaga Kunio
  • Journal Title: PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS Volume: 21 Issue: 25 Pages: 13440-13445
  • DOI: 10.1039/c9cp01221d
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 有機薄膜デバイスの界面分極安定化により誘起される分極ヒステリシス (2022)
  • Author(s): 横倉聖也，阿波賀邦夫
  • Organizer: 化学系学協会北海道支部2022年冬季研究発表会
• [Presentation] 有機薄膜デバイスの界面分極安定化による分極ヒステリシス誘発 (2022)
  • Author(s): 横倉聖也，島田敏宏，阿波賀邦夫
  • Organizer: 令和3 年度日本表面真空学会東北・北海道支部学術講演会
• [Presentation] 有機デバイスにおける界面分極の安定化と分極ヒステリシスの誘発 (2022)
  • Author(s): 横倉 聖也、富松 明宏、原田 潤、高橋 幸裕、中村 優斗、岸田 英夫、水津 理恵、松下 未知雄、阿波賀 邦夫
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Rate-determining process in MISIM photocells for optoelectronic conversion using photo-induced pure polarization current without carrier transfer across interfaces (2021)
  • Author(s): S. Yokokura
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 有機MISIMデバイスにおける界面分極の安定化と分極ヒステリシスの誘発 (2021)
  • Author(s): 横倉 聖也、富松 明宏、原田 潤、高橋大空，高橋 幸裕、中村 優斗、岸田 英夫、水津 理恵、松下 未知雄、阿波賀 邦夫
  • Organizer: 第15回分子科学討論会
• [Presentation] 電荷移動錯体と誘電層界面における強誘電性 (2021)
  • Author(s): 横倉 聖也、高橋 幸裕、原田 潤、中村 優斗、岸田 英夫、水津 理恵、松下 未知雄、阿波賀 邦夫
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会online
• [Presentation] 分極電流を用いた交流光電変換セルの変調光duty比依存性 (2020)
  • Author(s): 富松明宏，横倉聖也，阿波賀邦夫
  • Organizer: 分子科学討論会online, 2020
• [Presentation] 電荷移動錯体薄膜の配向制御と光電変換セルへの応用 (2020)
  • Author(s): 横倉聖也，水津理恵，松下未知雄，阿波賀邦夫
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会
• [Presentation] Optoelectronic Conversion in MISIM Photocells using Photo-induced Pure Polarization Current without Carrier Transfer across Interfaces (2019)
  • Author(s): Seiya Yokokura, Akihiro Tomimatsu, Michio M. Matsushita and Kunio Awaga
  • Organizer: ORGEL2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電荷移動錯体を用いた光電変換セル (2019)
  • Author(s): 横倉聖也，阿波賀邦夫
  • Organizer: 第13回分子科学討論会
• [Patent(Industrial Property Rights)] 有機強誘電デバイス (2022)
  • Inventor(s): 横倉聖也，阿波賀邦夫，富松明宏
  • Industrial Property Rights Holder: 横倉聖也，阿波賀邦夫，富松明宏
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022
• [Patent(Industrial Property Rights)] 有機強誘電デバイス (2021)
  • Inventor(s): 横倉聖也，阿波賀邦夫，富松明宏
  • Industrial Property Rights Holder: 横倉聖也，阿波賀邦夫，富松明宏
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021