2015 Fiscal Year Research-status Report
2次元電荷キャリア移動度を時空間で捉える革新的有機材料評価法の開発
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15K13816
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
佐伯 昭紀 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10362625)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 有機エレクトロニクス / 時間分解マイクロ波伝導度 / 空間分解 / 有機太陽電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機エレクトロニクス材料で重要な電荷キャリア移動度の評価法は複数あるが、基板に対して水平および垂直方向の移動度を同時にかつ時間分解で評価することは困難である。しかし、界面電荷輸送でも議論されているように、電荷移動度は界面～バルク間で不連続に変化する分子配列とエネルギー状態に大きく支配される。したがって、有機エレクトロニクス材料の本質的電子物性の解明には、膜深さ方向の空間座標を関連付けできる移動度評価ツールが望まれる。本課題では、申請者がこれまで培ったマイクロ波技術とデバイス移動度評価と融合させ、前例のない2次元時空間分解電荷キャリア移動度評価法（2D-Stream）を開発する。
初年度は空洞共振器の試作と制御ソフトやアルゴリズムの開発を行った。また、本評価法の評価対象材料として有望な、高分子・フラーレン太陽電池の電子物性を明らかにするため、系統的なフラーレン誘導体の合成と物性評価を行った。高効率なバルクヘテロジャンクション型有機太陽電池のn型材料には高い電子受容性と輸送性、深い最低非占有分子軌道（LUMO）準位を兼ね備えるフラーレン誘導体が必要である。そこで、5－7員環を有するスピロ（チオ）アセタール基に注目し、新規・可溶性フラーレンSAF、STAFを設計・合成した。溶媒中では（チオ）アセタール構造の柔軟性が十分な溶解性を確保しつつ、膜中ではフラーレン間の隙間に折りたたまれるように密に充填され効率的な電子輸送が可能になると考えた。このような戦略のもと、スピロ（チオ）アセタール化フラーレンの開発と、光電変換特性とそれに関連する電気化学、表面形状、結晶構造の系統的に明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本課題の根幹を成す時間分解マイクロ波伝導度（TRMC）装置は、ナノ秒Nd: YAGレーザー（200～1500 nmの間で波長変換OPOユニットを含む）ならびにXe-flashランプからの疑似太陽光パルスを励起源としたシステムが既に稼働している。2D-Streamでは、必要とする時間分解能と材料用途（太陽電池あるいはトランジスタ）に合わせて、単色レーザー（5 ns）と白色ロングパルス（10 μs）光源を使い分ける。後者では、有機太陽電池のデバイス性能評価を反映した伝導度信号をデバイスレスで短時間かつ安定に評価することができる。それぞれの光源を用いた場合の空洞共振器からの信号を比較し、また集光時のサンプルのダメージを観測したところ、信号はレーザーパルスの方が大きくかつダメージも大きいことが分かった。したがって両者はトレードオフであるが、そのため最適なレーザーパワーも見積もることができた。また、電界計算も行い、空洞共振器内の試料位置について最適値を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
本課題で鍵となる空洞共振器でも、感度（S/N比）とデバイス構造の最適化が最初の主たる課題であるため、これまでの装置開発におけるノイズ低減・信号強度増大に関連する技術蓄積が有効に利用できる。 (1) 2D-Stream用デバイスの作製、(2)空洞共振器の調整、(3) 両者から成る装置の構築と原理実証を行う。従来から主として用いてきたX-band（9 GHz）に加え、すでに高周波数（15, 23, 34 GHz）回路を用いたGHz周波数変調測定システム（Frequency-modulated TRMC: FM-TRMC）が稼働している。高周波領域ではFM-TRMCの複素伝導度を独自に構築したDrude-Smith-Zenerモデルに基づく周波数分散解析することで、電荷キャリアのトラップ密度と深さを求めることができ、伝導度のアレニウスプロットの傾きから得られる活性化エネルギーからもほぼ同等のトラップ深さが得られる。今後、周波数・実虚部・温度から多面的に電荷分離・輸送過程メカニズムを調べるため、2D-Streamの高周波移行を検討していく。
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[Journal Article] Pressure Modulation of Backbone Conformation and Intermolecular Distance of Conjugated Polymers Toward Understanding the Dynamism of π-Figuration of their Conjugated System2015
Author(s)
Y. Noguchi, A. Saeki, T. Fujiwara, S. Yamanaka, M. Kumano, T. Sakurai, N. Matsuyama, M. Nakano, N. Hirao, Y. Ohishi, and S. Seki
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Journal Title
J. Phys. Chem. B
Volume: 119
Pages: 7219-7230
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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