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2019 Fiscal Year Annual Research Report

Analysis of triboelectric generation for molecular electronics as dielectric phenomena by using optical method

Research Project

Project/Area Number 17H03230
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

田口 大  東京工業大学, 工学院, 助教 (00531873)

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)
Project Period (FY) 2017-04-01 – 2022-03-31
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
Outline of Annual Research Achievements

光を使って電気が見える新しい材料評価方法の実現を目指して研究しています。具体的には光第2次高調波発生(SHG)で摩擦発電を観察しています。発電は電気が動くことです。1つ1つの電気の動きには「電荷の移動」と「双極子の回転」の2つがあります。これらを見分けることが大切ですが、どちらとも電流なので見分けが難しい面がありました。SHGは色の違いで「電荷の移動」と「双極子の回転」を見分けることができます。この研究で初めて実現したことです。今年は次の成果がありました。
(1)実験で2つの色の違いとして電荷と双極子を見分けることに成功しましたが、この色は材料が違うと違います。実験する前に、計算機で2つの色があらかじめ分かると便利です。実験で調べたポリイミド(PMDA-ODA)と計算したSHGの色を比べて、計算機でもだいたい予測できることを確かめました。
(2)ストロボ写真のように短い時間だけ光るレーザーを使うと、発電過程をコマ撮りできます。この方法で摩擦電気がつくられていく様子を研究することができるようになりました。新しい方法ができたので、これまでの方法で見えなかったことが見えるようになります。
(3)摩擦する力と速さを同時に測定できるようにしました。それだけでは新しいことではありませんが、SHGと組み合わせると、摩擦の力がどんなときに電荷を移動させ、どんなときに双極子を回転させて発電しているのかを知ることができます。そのようなことができる測定方法はこれまで世の中にありませんでした。初めてできるようになったことです。
このように、SHGの方法で摩擦による発電の様子をいろいろな面で実験して見ることができる装置ができました。電気測定では難しい電荷と双極子を見分けられることが特徴です。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では非線形光学測定であるSHG法を摩擦発電の新しい測定手法として実現する。これにより従来の静電的測定方法の限界を克服して摩擦電気の「電荷」と「双極子」を選択的に可視化する新技術とし、静電気分子エレクトロニクスのための材料評価基盤を確立する。本年度達成した内容の概要は下記の通りである。
(A)摩擦電気の電荷と双極子の相互作用の明確化:これまでに確立したSHG測定システムでポリイミド上に発生した摩擦電気を測定した。電荷と双極子では摩擦発電にともなう時定数が異なることが明らかになりつつある。また、当初予定していなかったが、研究を進める過程で、SHGで電荷の正と負の極性もわかることを実験で確認した。この方法でポリイミドの摩擦後の電荷の空間分布を可視化し、摩擦面全面に負の電荷が発生した後、イオンガンで除電したときには小さな正電荷と負電荷に分かれた斑状の分布に変わることなどを明らかにできた。
(B)摩擦電気発生過程のその場観察:電荷波長及び双極子波長で時間分解SHG測定を実施した。石英とポリイミドの摩擦では、摩擦にともなうSHG強度変化として摩擦電気発生が測定される。電荷の発生過程では摩擦に用いているピエゾ素子の移動時間が100 μsであり、現在はこの時間で発電過程が律速されている。100 μsの摩擦中に徐々に電荷が発生して蓄積していく様子がSHG強度の時間変化として測定できた。
(C)摩擦の定量化:ラビングマシンを構築し、定量的に摩擦できるシステムとした。具体的には押し込み量0-1mm、送り速度0-10 mm/sで摩擦ができる。摩擦により発生するトルクと回転数から摩擦発電の力学的エネルギーの入力も測定できるように拡張した。
以上の通り当初予定した計画を進捗させた。(A)の電荷の極性峻別の方法は計画外の成果である。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、非線形光学測定であるSHG法を摩擦発電の新しい測定手法として実現する。これにより従来の静電的測定方法の限界を克服して摩擦電気の「電荷」と「双極子」を選択的に可視化する新技術とし、静電気分子エレクトロニクスのための材料評価基盤を確立する。これまでに、光学的手法の特徴を活かして、「電荷」と「双極子」を2つのレーザー波長で選択的に可視化することに成功した。さらに研究を進める中で電荷の正と負の極性を見分けることもできた。動画撮影と時間分解測定を実現し、静電的測定方法とは異なる観点から摩擦電気に迫る実験手法を確立できた。これまでの成果を受けて、今後の推進方策を下記の通りとしてさらに研究を発展させる。
1.摩擦電気の起源の峻別:測定手法としての研究は当初計画した項目は実現できたことから、摩擦発電の素過程を「電荷」と「双極子」の両面から測定し、その間の相互作用を実験の立場から明確化する。ポリイミドの合成を研究グループ内で行い、双極子能率の異なる分子を比較する。また、既に成功した電荷発生の動画撮影に加えて、双極子の動画撮影を実施する。
2.摩擦電気発生ダイナミクスの解明(時間発展):ポリイミドの電荷と双極子が摩擦電気発生にともなう別々の時定数をもつことが実験で明らかになりつつある。従来測定されている材料バルクの緩和時間と摩擦発電の時定数を比較することで、材料の電気電子物性の立場から摩擦発電を評価する。
3.摩擦発電量と力学的エネルギーの関係の明確化:今年度まで構築したラビングマシンを使い、摩擦発電の電気的出力と摩擦の力学的入力を定量化できる状態にある。エネルギー変換のうち、「電荷」と「双極子」がどれだけ寄与しているのかを実験で明確化する。熱刺激および光刺激の方法も用いて材料のエネルギー構造と摩擦発電の関係を明確化する。
以上の推進方針で研究を実施し、成果を統括する。

  • Research Products

    (12 results)

All 2020 2019 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Imaging of triboelectric charge distribution induced in polyimide film by using optical second-harmonic generation: Electronic charge distribution and dipole alignment2019

    • Author(s)
      Dai Taguchi, Takaaki Manaka, Mitsumasa Iwamoto
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 114 Pages: 233301/1-5

    • DOI

      10.1063/1.5094171

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Direct Observation of Carrier Transport in Organic-Inorganic Hybrid Perovskite Thin Film by Transient Photoluminescence Imaging Measurement2019

    • Author(s)
      Lei Lei Yin Win, Dai Taguchi, Takaaki Manaka
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 58 Pages: SBBG18/1-6

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab027c

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Transient carrier visualization of organic-inorganic hybrid perovskite thin films by using time-resolved microscopic second-harmonic generation (TRM-SHG)2019

    • Author(s)
      Lei Lei Yin Win, Dai Taguchi, Takaaki Manaka
    • Journal Title

      Organic Electronics

      Volume: 75 Pages: 105416/1-6

    • DOI

      10.1016/j.orgel.2019.105416

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Study of I-V hysteresis of tin perovskite solar cells using capacitance-voltage measurement coupled with charge modulation spectroscopy2019

    • Author(s)
      Taishi Noma, Dai Taguchi, Takaaki Manaka, Mitsumasa Iwamoto
    • Journal Title

      Molecular Crystals and Liquid Crystals

      Volume: 686 Pages: 92-98

    • DOI

      10.1080/15421406.2019.1648042

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 光第2次高調波発生(SHG)法による摩擦発電層(PMDA-ODA)の双極子と電荷の面内角度依存性の測定2020

    • Author(s)
      田口大,間中孝彰,岩本光正
    • Organizer
      2020年電子情報通信学会総合大会
  • [Presentation] 第2次光高調波発生の局所発振との干渉を用いたトライボ発電層(カプトン型ポリイミド)の摩擦電気の可視化 ~正負の極性を分けた可視化~2020

    • Author(s)
      田口大,間中孝彰,岩本光正
    • Organizer
      2020年 第67回 応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 相分離法により作製したTIPSペンタセンFETの特性と溶媒依存性2020

    • Author(s)
      山岡祐太,田口大, 間中孝彰
    • Organizer
      2020年 第67回 応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 光第2次高調波発生(SHG)測定による摩擦電気の正電荷と負電荷の可視化2019

    • Author(s)
      田口大,間中孝彰,岩本光正
    • Organizer
      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [Presentation] 第2次光高調波発生法によるトライボ発電層(カプトン型ポリイミド)の摩擦電気の可視化―摩擦電気の電荷変位と双極子配向の選択的測定―2019

    • Author(s)
      田口大,間中孝彰,岩本光正
    • Organizer
      2019年 第80回 応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Investigation of 1,8-Diiodooctane (DIO) Additive Effect on Carrier Transport in Bulk Heterojunction Organic Solar Cell by EFISHG2019

    • Author(s)
      Ibrahim Alrougy, Dai Taguchi, Takaaki Manaka
    • Organizer
      Compound Semiconductor Week 2019 (CSW 2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Visualization of Carrier Transport in Organic-Inorganic Perovskite Field Effect Transistor by Electric Field Induced Optical Second-Harmonic Generation (EFISHG)2019

    • Author(s)
      Lei Lei Yin Win, Dai Taguchi, Takaaki Manaka
    • Organizer
      Compound Semiconductor Week 2019 (CSW 2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] T2R2 東京工業大学リサーチリポジトリ

    • URL

      https://t2r2.star.titech.ac.jp/

URL: 

Published: 2021-01-27  

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