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2020 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, 名誉教授 (60305612)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Keywords有機半導体 / 両極性キャリヤ / 電界発光素子 / レーザ発振 / 電界効果トランジスタ
Outline of Annual Research Achievements

電場駆動型の有機半導体レーザは、2000年にBell研究所によりScience誌に報告されたが、その後研究は捏造として科学会のスキャンダルになった経緯がある。その後、実現に向けてさまざまな挑戦が試みられたが、成功に至らなかった困難な研究である。本研究では実現できる可能性を示し、有機半導体レーザ発振を電流駆動で実現する事を目標とした。電界効果トランジスタ構造で有機半導体発光素子を電子と光学の両方の観点から詳細に検討して、発振の確認と高性能化に向けた研究を遂行する。
電場駆動の有機半導体レーザ(el-OSCL)実現のためには、従来とは異なる技術革新が必要である。また、電界発光素子(Electroluminescence:EL)がレーザー(Electroluminescence Laser: ELL)として確認されるためには、3つの基本的な実験データを示す必要がある。(1)レーザの閾値---注入された電荷粒子数(N)と発光強度(I)との関係に明確な閾値が存在して、閾値を境として非線形に発光強度が増加する事。(2)急峻な発光スペクトラム精鋭化---閾値を越えると一つの発光波長が選択されて、発光スペクトル幅が急激に狭窄化する現象。(3)共振器増幅---共振器構造で反復増幅されている事。
本研究では、このような電界駆動レーザー発振の実験的証拠を得る事を目的に詳細な実験を遂行して、仕事関数の小さいCa/CsF(電子注入電極)と大きいAu(ホール注入電極)のヘテロ電極を用いてレーザ発振に必要な閾値電流の存在を確認した。また、両極性キャリヤ(電子と正孔)注入/伝達機能および高発光機能を有する有機半導体(BP3T)を光学媒体として選択して、電場駆動有機半導体レーザの可能性を示した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

これまで実行した研究により、重要な結果を得ている。(1)仕事関数の小さいCa/CsF(電子注入電極)と大きいAu(ホール注入電極)のヘテロ電極を用いて、さらに有機半導体表面を単分散のポリスチレン層を積層する事により、レーザ発振に必要な閾値電流の存在を確認した。この状態で、種々のトランジスタ作製条件を変化させる事により、良い条件を設定できると考えられる。実験は、良好な方向へ向けて行なわれている。(2)両極性キャリヤ(電子と正孔)注入/伝達機能および高発光機能を有する有機半導体(BP3T)を光学媒体として選択して、電場駆動有機半導体レーザの可能性を示す事ができている。今後、実験条件を変化させる事により、有機半導体BP3Tの性能を最適な条件で引き出す事ができる状況にある。(3)BP3Tを光媒体として、分布帰還型(Distributed Feed back: DFB)レーザの作製条件を検討して、低閾値でレーザ発振する初期的な実験結果を得ている。

Strategy for Future Research Activity

今後、研究の再現実験を遂行して実験の精度を向上させる事により、現象の基礎理解を深める。電流励起レーザ発振状況をより本質的な観点から考察する。また、(1)有機半導体レーザ構造の改善、(2)レーザ発振確認のための高精度の改善実験、(3)光励起と電流励起の比較検討実験、(4)レーザ発振専門研究者との議論を基礎として、研究の最終年度までに、レーザ発振の最終証拠を提出するための実験、レーザ発振の論文投稿のための高精度実験などを行う方針である。

  • Research Products

    (16 results)

All 2021 2020

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Separate tuning of nematicity and spin fluctuations to unravel the origin of superconductivity in FeSe2020

    • Author(s)
      S.-H. Baek, J. M. Ok, J. S. Kim, S. Aswartham,I. Morozov, D. Chareev, T. Urata, K. Tanigaki, Y. Tanabe, B. Buchner, D. V. Efremov
    • Journal Title

      NPJ Quantum Materials

      Volume: 5 Pages: 8

    • DOI

      10.1038/s41535-020-0211-y

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Site occupancy preference, electrical transport property and thermoelectric performance of Ba8Cu6xGe40+x single crystals grown by using different metal fluxes2020

    • Author(s)
      Jiazhen Wu, Jingtao Xu and Katsumi Tanigaki
    • Journal Title

      Mater. Adv.

      Volume: 1 Pages: 2953-2963

    • DOI

      10.1039/D0MA00721H

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] A new electrode for both hole and electron ambipolar injection via surface nanostructure control in carbon-based semiconductors2021

    • Author(s)
      Katsumi Tanigaki, Thangavel Kanagasekaran, and Hidekazu Shimotani
    • Organizer
      The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal (CGCT-8)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 有機半導体レーザの利得損失と共振状態2021

    • Author(s)
      谷垣勝己, カナガセカラン, サンガベル, 下谷秀和
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
  • [Presentation] BaMn2Bi2における伝導率の磁場・温度に対するスケール2021

    • Author(s)
      小笠原拓磨, Khuong Kim Huynh, 松下ステファン悠, 谷垣勝己
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
  • [Presentation] 転写法を用いて作成したBi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3/Cr2Ge2Te6における磁気抵抗効果の観測2021

    • Author(s)
      永田一将, 松下ステファン悠, Xing Chen Pan, Kim Khuong Huynh, 谷垣勝己
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
  • [Presentation] 有機半導体レーザの利得損失と共振状態2021

    • Author(s)
      谷垣 勝己、Kanagasekaran Thangavel、下谷 秀和
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 有機DFBレーザーにおけるミニストップバンド端でのレーザー発振2021

    • Author(s)
      下谷 秀和、三浦 大輝、カナガセカラン サンガベル、谷垣 勝己
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Electron-phonon and electron-electron interactions in electron doped aromatic carbon materials viewed from electrical transport2021

    • Author(s)
      Katsumi Tanigaki, Yuki Matsuda, Satoshi Heguri
    • Organizer
      APS March Meeting 2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Wrinkle formation and its effect on the magnetic properties of Cr2Ge2Te6/NiO heterostructures2021

    • Author(s)
      Andres Llacsahuanga Allcca, Hiroshi Idzuchi, Xing Chen Pan, Katsumi Tanigaki, Yong Chen
    • Organizer
      APS March Meeting 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 電流駆動有機半導体レーザ:電場励起と光励起2020

    • Author(s)
      谷垣 勝己、カナガセカラン サンガベル、三浦大輝、下谷 秀和
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 転写法によるBi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3/Cr2Ge2Te6ヘテロ構造の作製と異常ホール効果の観測2020

    • Author(s)
      永田一将, 松下ステファン悠, Xin Chen Pan, Kim Khuong Huynh, 谷垣勝己
    • Organizer
      日本物理学会 2020年秋季大会
  • [Presentation] The large magnetoresistance in BaMn2Bi2 antiferromagnets and its possible origins2020

    • Author(s)
      Kim-Khuong Huynh, Takuma Ogasawara, Stephane Yu Matsushita, Motoi Kimata, Time Tahara, Takanori Kida, Masayuki Hagiwara, Katsumi Tanigaki
    • Organizer
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [Presentation] 電流駆動有機半導体レーザ:電流励起と光励起2020

    • Author(s)
      谷垣 勝己、三浦大輝、 Thangavel Kanagasekaran、下谷 秀和
    • Organizer
      日本物理学会 2020年秋季大会
  • [Presentation] 電流駆動有機半導体レーザ2020

    • Author(s)
      谷垣 勝己、Kanagasekaran Thangavel、下谷 秀和
    • Organizer
      第69回高分子討論会
    • Invited
  • [Presentation] Three-Dimensional Topological Insulators and Applications2020

    • Author(s)
      K. Tanigaki
    • Organizer
      QPQIS 2020 (International Symposium on Quantum Physics and Quantum Information Sciences)
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2022-12-28  

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