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2018 Fiscal Year Annual Research Report

Realization of organic semiconductor lasers and their improvement

Research Project

Project/Area Number 18H03883
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

谷垣 勝己  東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (60305612)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 下谷 秀和  東北大学, 理学研究科, 准教授 (60418613)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Keywords有機半導体 / 電界発光素子 / 電界効果トランジスタ / レーザ
Outline of Annual Research Achievements

本研究申請は、有機半導体を用いた電界効果トランジスタ構造(OSC-FET)において、電場駆動有機半導体レーザ(el-OSCL)の発振に世界で初めて実現する事を目指す研究である。el-OSCLの実現は、2000年にBell研究所のSchon、Kloc、Batloggの3研究者によりScience誌に報告されたが、その後研究は捏造として科学会の大きな問題となった経緯がある。しかし、この研究の概念は斬新で、その後世界中の研究者により実現に向けてさまざまな挑戦が試みられたが、20年近く経過して成功に至らなかった非常に困難な研究である。
この研究を、本研究グループが実際に実現できる可能性を示す実験結果を示していた(物理学会、応用物理学会発表)。本研究は、電場駆動有機半導体レーザの実現へ向けて、研究の現状を電子状態と光学的な両方の観点から詳細に検討する事により、実現の状況を正確に理解し、今後の発展に向けた研究を遂行する事を目的とするものである。
今年度は、これまで行なってきたファブリペロ-型共振器構造デバイス(FPR-OSCL)と共に、帰還分布型(DFB-OSCL)構造のデバイスを作製して、二つの異なるタイプのデバイスにおいて光励起および電流励起の実験比較をする事でより詳細な議論をした。その結果、光励起のop-DFB-OSCLデバイスでは、フィードバック機構を示すスペクトルの窪み構造がレーザ発振の直前に観測され、光強度を増加させるに従いバックグラウンドの発光はレーザ発光に比較して減少していき、5x10-6Jでは完全なレーザー発振モードに移行する事が確認された。同様の現象は、電流駆動モードのel-DFB-OSCLでも観測される。しかし、レーザ発振状態には入る事は確認されたが、現状では電流密度がまだ十分ではなく、光と同様の品質のレーザー発振には至っていない。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

ファブリペロー型共振器(FPR)構造を有する、有機半導体発光デバイスを電界効果トランジスタ構造で作製して、種々の発光特性とトランジスタ構造における関係を得る事に成功している。研究は順調に推移していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

今後、次の研究方針で研究を進める。[1]高効率のel-OSCLの実現のためには、発光量子効率と両極性キャリヤ(電子と正孔)の高効率注入と高移動度を示す有機半導体を探索する。[2]高品質の自己形成型のファブリペロー型レーザ共振器を作製するために、光学反射に優れた端面を有する高品質な単結晶を成膜する。[3]高品質かつ高効率のel-OSCL素子構造を実現するために、FET素子構造を改良してさらに優れた性能を示すel-OSCLを開拓する。[4」新しい素子構造探求して]el-OSCLの閾値電圧の低減下をはかる。[5]レーザ光の品質の尺度となる位相およびビームプロファイルを含めた向上をはかる。

  • Research Products

    (33 results)

All 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (28 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] IISERs(インド)

    • Country Name
      INDIA
    • Counterpart Institution
      IISERs
  • [Journal Article] Three-dimensional porous graphene networks expand graphene-based electronic device applications2018

    • Author(s)
      Yoshikazu Ito, Yoichi Tanabe, Katsuaki Sugawara, Mikito Koshino , Takashi Takahashi, Katsumi Tanigaki, Hideo Aoki, Mingwei Chen
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 20 Pages: 6024-6033

    • DOI

      10.1039/c7cp07667c.

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Carrier-doped aromatic hydrocarbons: a new platform in condensed matter chemistry and physics2018

    • Author(s)
      Heguri, Satoshi and Katsumi Tanigaki
    • Journal Title

      Dalton Transaction.

      Volume: 47 Pages: 2881-2895

    • DOI

      10.1039/c7dt03745g

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Yuki Matsuda, Naoya Iwahara, Katsumi Tanigaki, Liviu F. Chibotaru, Manifestation of vibronic dynamics in infrared spectra of Mott insulating fullerides2018

    • Author(s)
      Yuki Matsuda, Naoya Iwahara, Katsumi Tanigaki, Liviu F. Chibotaru
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 98 Pages: 165410_1-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.98.165410

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Giant magnetoresistance in BaMn2Pn2 (Pn = As, Sb, Bi)2019

    • Author(s)
      Khuong Huynh,Takuma Ogasawara, Stephane Yu Matsushita, Taimu Tahara, Takanori Kida, Masayuki Hagiwara, Denis Arcon, Katsumi Tanigaki
    • Organizer
      APS March Meeting 2019, Boston Convention and Exhibition Center (Boston, USA)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Hall effects in giant magnetoresistance system BaMn2Bi22019

    • Author(s)
      Takuma Ogasawara, Khuong Huynh, Stephane Yu Matsushita, Taimu Tahara, Takanori Kida, Masayuki Hagiwara, Denis Arcon, Katsumi Tanigaki
    • Organizer
      APS March Meeting 2019, Boston Convention and Exhibition Center (Boston, USA)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A new concept of electrodes for ambipolar carrier injection in organic semiconductors2019

    • Author(s)
      Katsumi Tanigaki, Thangavel Kanagasekaran, Syun Onuki, Taiki Miura, Hidekazu Shimotani
    • Organizer
      APS March Meeting 2019, Boston Convention and Exhibition Center (Boston, USA)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Comparative studies on fluorescent emission of organic semiconductors between optical and electrical pumping2019

    • Author(s)
      Taiki Miura, Thangavel Kanagasekaran, Hidekazu Shimotani, Syun Onuki, Katsumi Tanigaki
    • Organizer
      APS March Meeting 2019, Boston Convention and Exhibition Center (Boston, USA)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Seebeck effect in 3D topological insulator thin films2019

    • Author(s)
      Stephane Yu Matsushita, Khuong Huynh, Katsumi Tanigaki
    • Organizer
      APS March Meeting 2019, Boston Convention and Exhibition Center (Boston, USA)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Manifestation of vibronic dynamics in infrared spectra of Mott insulating fullerides2019

    • Author(s)
      Naoya Iwahara, Yuki Matsuda, Katsumi Tanigaki
    • Organizer
      APS March Meeting 2019, Boston Convention and Exhibition Center (Boston, USA)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 有機半導体レーザ発振における電流励起と光励起の相関2019

    • Author(s)
      谷垣 勝己、カナガセカラン サンガベル、下谷 秀和、小貫 駿、三浦 大輝
    • Organizer
      応用物理学会春季学術講演会、東京工業大学(東京)
  • [Presentation] FET構造による電流注入型有機半導体DFBレーザー2019

    • Author(s)
      下谷 秀和、カナガセカラン サンガベル、小貫 駿、三浦 大輝、谷垣 勝己
    • Organizer
      応用物理学会春季学術講演会、東京工業大学、(東京)
  • [Presentation] 電流注入型有機半導体DFBレーザー2019

    • Author(s)
      下谷秀和、カナガセカランサンガベル、小貫駿、三浦大輝、谷垣勝己
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会、九州大学(福岡市)
  • [Presentation] 窒素ドープした3次元ナノ多孔質グラフェンの輸送特性2019

    • Author(s)
      田邉洋一、伊藤良一、谷垣勝己
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会、九州大学(福岡市)
  • [Presentation] 有機半導体レーザ発振における電流励起と光励起の相関2019

    • Author(s)
      谷垣勝己、サンガベルカナガセカラン、下谷秀和、小貫駿、三浦大輝
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会、九州大学(福岡市)
  • [Presentation] 3次元トポロジカル絶縁体Sn-BiSbTe2Sの電子輸送特性2019

    • Author(s)
      市村翔、松下ステファン悠、永田一秀、谷垣勝己
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会、九州大学(福岡市)
  • [Presentation] Preparation of 3D topological insulator thin films by vapor phase epitaxial growth and its application to thermoelectrics2019

    • Author(s)
      K. Tanigaki
    • Organizer
      The Second International Workshop Emergent Condensed-Matter Physics (ECPM2019), Sakura Art and Calture Hall (Higashi Hiroshima)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Single crystal thin films of three-dimensional topological insulators via non-catalytic vapor phase epitaxial crystal growth2019

    • Author(s)
      Katsumi Tanigaki (Key Note Speaker)
    • Organizer
      Study of Matter at Extreme Conditions (SMEC2019), Conference Center, Celebrity Equinox (Miami, USA)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Electron-phonon and electron-electron interactions in electron doped aromatic carbon materials viewed from electrical transport2019

    • Author(s)
      Katsumi Tanigaki (Invited)
    • Organizer
      Study of Matter at Extreme Conditions (SMEC2019), Conference Center, Celebrity Equinox (Miami, USA)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] A new concept of electrodes for ambipolar carrier injection in organic semiconductors2018

    • Author(s)
      Katsumi Tanigaki, Thangavel Kanagasekaran, Hidekazu Shimotani
    • Organizer
      E‐MRS 2018 Spring Meeting (Strasbourg, France)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Interplay between electron-phonon and electron-electron interactions in electron doped aromatic carbon materials viewed from electrical transport probe2018

    • Author(s)
      K. Tanigaki, S. Heguri, Y. Matsuda
    • Organizer
      12th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (M2S HTSC 2018) ( Beijing, China)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 有機半導体の進展: 現状と将来 (まとめと今後の展望)2018

    • Author(s)
      谷垣勝己
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会、同志社大学(京田辺市)
    • Invited
  • [Presentation] Bi2-xSbxTe3-ySey薄膜の熱電特性:電界効果を用いたフェルミ準位の制御とその影響2018

    • Author(s)
      松下ステファン悠、Khuong Kim Huynh、田邉洋一、谷垣勝己
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会、同志社大学(京田辺市)
  • [Presentation] 3次元トポロジカル絶縁体Sn0.02Bi1.08Sb0.9Te2Sの電子輸送特性:電気抵抗、ホール抵抗、磁気抵抗及びゼーベック係数の複合測定2018

    • Author(s)
      市村翔、松下ステファン悠, 谷垣勝己
    • Organizer
      日本物理学2018年秋季大会、同志社大学(京田辺市)
  • [Presentation] BaMn2Bi2におけるホール抵抗の面内磁場依存性2018

    • Author(s)
      小笠原拓磨、Khuong Kim Huynh、谷垣勝己、松下ステファン悠、田原大夢、木田孝則、萩原正幸
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会、同志社大学(京田辺市)
  • [Presentation] Giant magnetoresistance in magnetic multipolar BaMn2Pn2 (Pn = As, Sb, Bi)2018

    • Author(s)
      K.-Khuong Huynh, T. Ogasawara, T. Tahara, T. Kida, M. Hagiwara, K. Tanigaki
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会, 同志社大学(京田辺市)
  • [Presentation] 電気輸送および磁気特性からみたモット絶縁体領域のA3C60超電導体の電子状態2018

    • Author(s)
      谷垣勝己、平郡諭、松田祐貴
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会、同志社大学(京田辺市)
  • [Presentation] 電流駆動有機半導体レーザの構造と物性2018

    • Author(s)
      谷垣勝己、下谷秀和、Thangavel Kanagasekara、小貫駿、三浦大輝
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会、同志社大学(京田辺市)
  • [Presentation] 電気輸送特性からみたA3C60のモット境界における電子状態2018

    • Author(s)
      谷垣 勝己、松田 祐貴、平郡 諭
    • Organizer
      第55回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム、東北大学(仙台市)
  • [Presentation] 電場駆動有機半導体レーザの特性2018

    • Author(s)
      谷垣 勝己、カナガセカラン サンガベル、小貫 駿、三浦 大輝、下谷 秀和
    • Organizer
      第79回応用物理学会秋季学術講演会、名古屋国際会議場(名古屋市)
  • [Presentation] 電流励起と光励起有機半導体レーザーの比較2018

    • Author(s)
      下谷 秀和、カナガセカラン サンガベル、小貫 駿、三浦 大輝、谷垣 勝己
    • Organizer
      第79回応用物理学会秋季学術講演会、名古屋国際会議場(名古屋市)
  • [Presentation] Itinerant antiferromagnetic BaMn2Pn2 showing both negative and positive large magnetoresistance,2018

    • Author(s)
      Katsumi Tanigaki, Khuong Kim Huynh, Takuma Ogasawara, Keita Kitahara, Stephane Yu Matsushita, Taimu Tahara, Takanori Kida, Masayuki Hagiwara, Denis Arcon
    • Organizer
      J-physics International Workshop University of Otago (Danieden, New Zealand)
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] ナノ固体物理研究室、東北大学

    • URL

      http://sspns.phys.tohoku.ac.jp/

URL: 

Published: 2019-12-27  

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