2019 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 |
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。
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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。
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| 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。
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