2017 Fiscal Year Annual Research Report
Analysis of triboelectric generation for molecular electronics as dielectric phenomena by using optical method
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17H03230
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
田口 大 東京工業大学, 工学院, 助教 (00531873)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
間中 孝彰 東京工業大学, 工学院, 教授 (20323800)
岩本 光正 東京工業大学, 教育・国際連携本部, 特任教授 (40143664)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 電子・電気材料 / 誘電体物性 / 可視化 / マイクロ・ナノデバイス / 低消費電力・高エネルギー密度 / ナノマシン電子工学 / 非線形光学 / 電子デバイス・機器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
摩擦電気を利用するトライボ発電は、摩擦材料の開発により急速に発電面密度が向上している。本研究は、研究代表者独自の光学的静電気評価手法の波長選択性と時間分解能を活かして、摩擦発電の分子レベルでの起源を特定する世界初の手法を確立し、分子静電気エレクトロニクスへ向けた材料評価基盤を構築することを目的とする。
初年度は研究実施計画に従い、EFISHG測定により摩擦電気を可視化する評価システムを新たに構築した。そして、EFISHG測定を用いれば摩擦電気を光学的に可視化できること（－５００Vの摩擦帯電で発生するEFISHG光をCCDで画像撮影できること）を実証した。研究実施計画の項目ごとの成果の概要は下記通りである。これらの成果は主に国内学会発表により公表した。
（A）摩擦電気の起源の特定（実空間）：摩擦装置をEFISHG測定系に導入し、摩擦しながらEFISHG測定ができるシステムを構築した。当初計画した並進による摩擦装置と、ローラー回転による摩擦装置を構築した。表面電位測定による校正システムを作製し、摩擦帯電電圧を定量化してEFISHG測定により画像化できる。当初計画では校正用の電極を備えた測定試料を作製する予定であったが、研究を進める中で校正用電極によらない方法に変更した。本来摩擦発電には不要の校正用電極を用いることなく校正できる。
（B）摩擦電気発生ダイナミクスの解明（時間発展）：10 Hzでレーザーに同期して摩擦帯電を画像化する測定システムを構築し、摩擦帯電を撮影した。翌年度に摩擦帯電のリアルタイム動画撮影を実施する。従来法の静電プローブとは一線を画する高速な摩擦電気の可視化法を実現できる予定である。
（C）摩擦発電中の分子エネルギー状態の評価（エネルギー空間）：並進運動による摩擦後に熱刺激電流測定及び電荷変調分光測定を行う測定系を構築した。
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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
本研究は、研究代表者独自のキャリア評価手法であるEFISHG測定を拡張し、摩擦電気を可視化する評価システムを新たに実現して摩擦発電の分子的起源を明らかにできる材料評価基盤を実現することを目的としている。とくに、摩擦帯電のキャリアには電荷と双極子などがあるが、これらを選択的に測定できることを実証することが、申請時にうったえた、STMなどの走査型プローブ顕微鏡によるミクロ起源の研究と一線を画する新手法として確立するために不可欠である。初年度は研究実施計画に従い、摩擦帯電装置をEFISHG測定系に導入した実験装置を構築した。そして、その実験装置により、摩擦帯電の測定ができること（－５００Vの摩擦帯電をEFISHG測定できること）を実証した。とくに、摩擦発電の発電層として用いられているカプトン型（PMDA-ODA）ポリイミドの実験により、電荷が発生するEFISHGと、双極子が発生するEFISHGが、異なる光の波長で発生することを確認できたことから、EFISHG法が摩擦帯電のミクロ起源を特定して可視化できる技術であることを本研究の実施により初めて実証した。翌年度以降の研究を計画の通り実施していく。
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| Strategy for Future Research Activity |
２年度目にあたる平成３０年度は申請時の研究計画に従い進める。なお、初年度は研究計画に大きな変更が必要な課題は生じていない。また、初年度の成果を受けて優先順位を下記項目の順番通りとして研究を実施する。さらに、初年度の研究実施により新たに挑戦可能な段階になったものを追加して研究を行う計画とする。
（１）摩擦電気の起源の特定（実空間）：摩擦発電の発電層として用いられるカプトン型ポリイミドをフィルムで摩擦し、EFISHGで摩擦電気の起源（電荷と双極子）を可視化する。フィルムには初年度に実施した試し段階の実験結果を反映して、導電体（ITO）及び絶縁体（テフロンFEP及びポリエチレンテレフタレート）を用いる。
（２）摩擦電気発生ダイナミクスの解明（時間発展）：初年度の研究の実施により、摩擦電気をリアルタイムに動画撮影できることがわかった。テフロンFEPテープをポリイミドフィルムから剥離した後の摩擦電気の減衰を、EFISHG測定でリアルタイム動画撮影を実施する。
（３）摩擦発電中の分子エネルギー状態の評価（エネルギー空間）：エネルギー状態の異なる場合の摩擦発電の分子起源を特定できる実験の実現のために、アゾベンゼンの光異性体（trans体とcis体）のEFISHGスペクトル測定を行い、実験条件（プローブ光波長）を明確化する。
以上の計画を実施し、その結果を統括する。
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