2021 Fiscal Year Research-status Report
Structural condition for the metallic conduction in conducting polymers toward device applications
| Project/Area Number |
21K04865
|
|---|
| Research Institution | Nagoya University |
|---|
Principal Investigator |
伊東 裕 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (10260374)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 導電性高分子 / 熱電特性 / 金属的伝導 / 主鎖配向 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
電解質による連続ドーピング技術を用いて、導電性高分子薄膜の電気伝導特性・熱電特性を、結晶領域・境界領域からなる薄膜構造に即して理解し、高分子薄膜の金属的伝導出現の条件の解明を目指して、以下の項目について研究を進めた。
１．PBTTTの主鎖配向効果：主鎖が配向するとともに膜構造がリボン相に変化することが知られているフローコート法を用いて主鎖配向膜を作製し、主鎖方向とそれに垂直方向への電気伝導・熱電能を調べた。主鎖方向に高い電気伝導度1500 S cm-1をもつ膜の作製に成功し、主鎖方向で熱電変換効率が向上することを見出した。一方、主鎖に垂直方向ではゼーベック係数の電気伝導度依存性が、金属転移においてべき数が変化するべき乗則から、logσ型に変化し、金属的伝導出現による変化がみられなくなることを見出した。
２．PBTTT薄膜への圧力効果：PBTTTにおいて、さらなる電気伝導度の向上を狙い、圧力セル内に封入できるサイズの主鎖配向膜を作製し、圧力下の電気伝導測定を行った。その結果、高ドープ下の金属状態に到達すると電気伝導度が圧力にほとんど依存しなくなり、それ以上の向上が見られないことを見出した。
３．PBTTT以外のポリマー：PBTTTに比べ結晶性が低いとされるP3HT、PQT、PDPP-TTについて、高分子構造と電気伝導・熱電特性との関係を調べる測定を進めている。PQTはP3HTに比べ側鎖密度が小さく、より空隙の多い構造を持つため、ゼーベック係数に電解質の対イオンの流動性がもたらす時間変化が現れることを見出し、論文として発表した。
４．電荷移動錯体における弱局在現象の解明：BEDO-TTFからなる電荷移動錯体結晶における弱局在では、高分子の結晶領域よりも局在長が長くなることを見出した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
結晶性導電性高分子PBTTTについて、金属伝導は結晶性領域で発生するが、低温低ドープ領域ではドメイン境界が障壁となり膜全体としてはホッピング伝導を示す。しかし高温高ドープ領域では境界での接続が金属的となり，弱局在あるいは金属的な伝導が膜全体に実現する、というモデルを提案している。このモデルに基づき、高分子薄膜の金属的伝導出現の条件の解明を目指して研究を進めている。
１． PBTTTの主鎖配向効果：高い主鎖配向度をもち、主鎖方向に高い電気伝導度1500 S cm-1をもつ膜の作製に成功し、主鎖方向で熱電変換効率が向上することを見出した。一方、主鎖に垂直方向ではゼーベック係数の電気伝導度依存性がlogσ型に変化することを見出した。この現象の解明は、PBTTTにおける金属伝導の発現と、他の高分子との関係を調べる上で重要な知見と思われる。
２．PBTTT薄膜への圧力効果：PBTTTの圧力下の電気伝導測定を行った。その結果、高ドープ下では電気伝導度の圧力による向上が抑えられることが分かった。これは金属状態の特徴である低いゲージ率に対応すると解釈できる。
３．PBTTT以外のポリマー：PBTTTに比べて結晶性が低いPQTやPDPP-TTについて、高分子構造と金属的伝導発現との関係の解明を目指した測定を進めている。PQTはより空隙の多い構造を持つため、ゼーベック係数に、電解質の流動性がもたらす時間変化が現れることを見出し、論文発表した。さらに、結晶性は低いものの境界領域における高分子の接続性が良いドナーアクセプタ型高分子PDPP-TTについての研究も進行中である。
これらの成果に加え、電荷移動錯体における弱局在では、高分子の結晶領域における局在長より大きい領域で弱局在伝導が起こることを見出した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
結晶領域・境界領域からなる薄膜構造とドープ下導電性高分子薄膜の電気伝導特性・熱電特性との関係を解明し、特に金属的伝導出現の条件の解明について研究を進める。
１．PBTTT主鎖配向膜で現れた異方性の理解：電気伝導測定時の電流経路の分布と、熱電効果測定時の、結晶領域・境界領域への温度差の付き方の違いを考慮することなどを通して、熱電特性の異方性の起源の解明を試みる。また、ゼーベック効果の温度依存性を測定し、金属的伝導を示す温度に比例するゼーベック係数が観測できるかどうかを調べ、PBTTT薄膜の金属的伝導の出現条件について理解を進める。
２．ドナーアクセプタ型高分子PDPP-TTにおける金属的伝導探索と熱電効果の理解：PDPP-TTでは、研究協力者の田中らによる電子スピン共鳴測定により、スピンコート膜でミクロな金属性の兆候がとらえられているが、マクロな電気伝導度には金属的兆候が現れていない。これに対し主鎖配向膜を作製し、結晶領域・境界領域の関係を変化させ、金属的伝導あるいは弱局在伝導を探索する。また、ゼーベック係数の電気伝導度依存性の異方性を調べ、境界領域の接続性の違いとの関係を考察する。また、最近、合成されている他のドナーアクセプタ型高分子についても調べる。
|
| Causes of Carryover |
令和３年度は既存の材料、および既存の製膜法を用いたデバイスの電気伝導特性測定を行い、既存の高分子材料粉末と既存の基板材料を用いて実験を行うことができたため、新規の材料をあまり買う必要がなかった。来年度以降は新しい高分子材料や新規基板材料の入手が必要であるため、高分子材料、基板材料費が必要になる。また、新しい成膜法の探索のため、製膜装置部品の新規購入が必要となる。また、コロナ禍のため、国内会議での出張回数が少なく、旅費の支出が限定的であった。来年度対面開催に戻れば旅費が必要となる。
|
-
[Journal Article] Metallic Conduction and Carrier Localization in Two-Dimensional BEDO-TTF Charge-Transfer Solid Crystals2022
Author(s)
Hiroshi Ito, Motoki Matsuno, Seiu Katagiri, Shinji K. Yoshina, Taishi Takenobu, Manabu Ishikawa, Akihiro Otsuka, Hideki Yamochi, Yukihiro Yoshida, Gunzi Saito, Yongbing Shen and Masahiro Yamashita
-
Journal Title
Crystals
Volume: 12
Pages: 23 1-8
DOI
Peer Reviewed / Open Access
-
-
-
-
-
-
-
