2019 Fiscal Year Research-status Report
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18K18848
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
熊田 亜紀子 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20313009)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 正寛 東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教 (40805769)
三宅 弘晃 東京都市大学, 理工学部, 教授 (60421864)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / 誘電絶縁材料 / 高分子 / 電荷移動度 / ポリエチレン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は申請者がこれまで構築してきた第一原理計算を柱としたパラメータフリーな多階層モデリング法を応用することで、有機高分子材料の電気特性を評価・予測する方法を確立し、物性の詳細な理解に基づいた機能性絶縁材料開発手法を開発することである。このため本研究では(1)高分子絶縁材料の電気特性評価に向けた多階層モデリング方法の改良、(2)多階層電気特性の実験的評価方法を考案することを目標としている。
(1)に関して、主骨格が「柔らかい」高分子材料(すなわち、有機半導体材料と異なった絶縁材料に特徴的な高分子)に関して、その非晶領域における電荷移動を経験的なパラメータや現象論的なモデルをもちいない、第一原理計算に基づくマルチスケールな(多階層)シミュレーション方法を昨年度に構築し、ポリエチレン(PE)材料中の正孔輸送をシミュレートしていた。今年度は第一原理計算によって有機高分子材料中の電荷移動と関係するミクロな相互作用の大きさを評価することによって、種々の絶縁材料中の電荷輸送様式を明らかにした。加えて、上述したマルチスケールなシミュレーション方法の一般性や堅牢性を確認すべく、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリスチレン(PS)中の電子・正孔輸送をシミュレートしている。
(2)に関しては、電子線照射を行うことで速い電荷移動度を測定する装置、および、pulsed electro acoustic(PEA)法を用いて遅い電荷移動度を見積もる解析手法を提案した。これらの測定方法によってPE材料などについて電荷移動度を測定している。
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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(1) (実材料を模擬した)高分子絶縁材料の電気特性評価に向けた多階層モデリング方法の開発、(2)多階層電気特性の実験的評価方法の考案、よりなる。
(1)に関しては高分子材料中の電荷移動度を計算できるようなモデル化方法を提案したという点、およびそのシミュレーション方法が幅広い高分子誘電・絶縁材料に適用できる点を示した[1]点で目標は十分達成されたと言えよう。
(2)に関しては絶縁材料における階層的な移動度の測定方法の開発をすすめてきている。まず、「遅い」移動度の測定方法を提案し、測定装置(電流・Pulsed Electro Acoustic同時測定装置)の開発に成功し、さらにデータの解析手法を考案することで(遅い)移動度の推定に成功している。加え、(電子線照射)time of flight測定装置も開発し、PE中の(速い)電荷移動度の測定にも成功しており、高分子材料の電気特性の多階層性が実験的に明らかにできるようになっている。
以上から、本研究は概ね順調に進展していると言えよう。
[1] M. Sato, A. Kumada, K. Hidaka: First-principles Determination of Electronic Charge Transport Properties in Polymer Dielectrics using a Crystalline-based Model System, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 26, Issue 4, pp.1204-1210, (2019)
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| Strategy for Future Research Activity |
多階層モデリングによって種々絶縁材料中の電荷移動度を温度・電界の関数として計算(推定)できるようになった。一方で実験的にも種々絶縁材料の測定が行えるようになってきていることから、実験結果および計算結果の整合性を確認する。さらに、余力があればこの比較を通して計算モデルの精緻化あるいは簡単化を図るとともに、計算によって得られる興味深い予測結果に関してはそれを実験的に検証することを目指す。
また、計算モデリングに関しては多様な添加剤の効果を評価するなど必要に応じてモデリング方法のさらなる汎用性の向上方法を検討する。また、電荷移動度の測定に関してはより多くの材料種、温度・電界条件において測定を可能とするためノイズ低減などS/Nを向上する。加え、より高温・高電界に耐えうるように測定装置に改良を加える予定である。
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| Causes of Carryover |
本研究の第一原理計算を用いたモデル化の部分に関しては、すでに3件論文が掲載されているように解析は順調に進んでいる。一方で、より精度の高い計算手法(理論レベル)を用いることができればこれまで議論できなかったバンドアラインメントを定量的に評価することができるようになる。また、より大規模な、あるいは複雑な高次構造に関する検討を行うためには計算資源の拡充が不可欠である。そのような理由で追加の計算機を購入する予定であったが、インテルのCPUの供給が世界的に滞っているため購入が遅れた。
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Research Products
(3 results)
