ESR誘起電流による有機素子の新規スピンプローブ技術の開拓

• 研究課題/領域番号: 17H03135
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: デバイス関連化学
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 鐘本 勝一 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (40336756)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2018年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2017年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円)
• キーワード: EDMR / ODMR / 有機デバイス / ESR / スピン流 / 逆スピンホール効果 / 電子スピン共鳴 / スピントロニクス / 電流検出ESR / 電子正孔対 / 酸素 / 誘起電流 / 有機EL / 有機LED

研究成果の概要

本研究では 有機半導体の素子において電子スピンを反転させた際に発生する 電流変化を利用する技術開拓を行った。有機EL素子ではその電流変化を与えるのは電子正孔対のスピン反転であることを明らかにした。その電子正孔対は電圧を増加させると減少することがわかった。その減少によりELプロセスは電圧に応じて、ペア蓄積領域、ペア解離・再結合領域、非ペア形成領域の3つの領域に分類されることがわかった。またその電子正孔対の性質が有機EL素子の磁場応答性を決定することを明らかにした。金属二層薄膜の強磁性共鳴にて生じる起電力についても調べ、共鳴による励起電力と起電力の関係を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

有機物質を代表とする半導体や導体には電子スピンをもつキャリヤやその複合体が存在しているが、そのスピンを磁気共鳴操作を用いて反転した際に素子にどのような影響が生じるか調べることは、新しいデバイスへの応用やデバイス内の物性を調べる手段を模索する意味で重要である。この研究ではその技術開拓を行うことを主眼とし、研究を行った結果、電子スピンの反転による電流変化を与える電子状態の起源を明らかにでき、さらには新たなスピン物性の開拓及び応用展開を行える手掛かりを得ることができた.

研究成果

• [雑誌論文] Quantifying Power Flow Processes Mediated by Spin Currents (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenta Nakahashi, Kohei Takaishi, Takayuki Suzuki, Katsuichi Kanemoto
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 3 号: 4 ページ: 1663-1670
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c01138
  • 査読あり
• [雑誌論文] 有機半導体素子に対するEDMRおよびODMR (2020)
  • 著者名/発表者名: 鐘本 勝一, 鈴木 貴之
  • 雑誌名: 応用物理 巻: 89 号: 1 ページ: 25-29
  • DOI: 10.11470/oubutsu.89.1_25
  • NAID: 130007783775
  • ISSN: 0369-8009, 2188-2290
  • 年月日: 2020-01-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electron-Hole Pairs Generated in the Crystalline Phase of Polymer Diodes Studied by Electrically Detected Magnetic Resonance Techniques (2019)
  • 著者名/発表者名: Kousuke Iwamoto, Yuto Hayakawa, Shuto Hatanaka, Takayuki Suzuki, and Katsuichi Kanemoto
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 123 号: 43 ページ: 26116-26123
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b07796
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correlation between bias-dependent ESR signals and magnetic field effects in organic light emitting diodes (2019)
  • 著者名/発表者名: Katsuichi Kanemoto, Shuto Hatanaka, Takayuki Suzuki
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 125 号: 12 ページ: 125501
  • DOI: 10.1063/1.5084216
  • NAID: 120006820376
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2019948
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exploring the behavior of electron-hole pairs in working organic light emitting diodes (2018)
  • 著者名/発表者名: Shuto Hatanaka, Keigo Kimura, Takayuki Suzuki, Katsuichi Kanemoto
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 2 号: 11 ページ: 115201
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.2.115201
  • NAID: 120006539745
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2020423
  • 査読あり
• [学会発表] 強磁性金属/有機導体界面におけるスピン伝達 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高石晃平, 鐘本勝一, 鈴木貴之
  • 学会等名: 電子スピンサイエンス学会2020
• [学会発表] 高強度パルスμ波励起による逆スピンホール効果の特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鐘本勝一，中橋健太，鈴木貴之
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次大会
• [学会発表] 有機半導体素子における磁場効果と磁気キャパシタンス (2019)
  • 著者名/発表者名: 鐘本勝一
  • 学会等名: 日本磁気学会第224回研究会 磁気キャパシタンス効果の新展開
  • 招待講演
• [学会発表] Origin of Electrically-Detected Magnetic Resonance Signals in Organic Semiconductor Diodes (2019)
  • 著者名/発表者名: Katsuichi Kanemoto, Kousuke Iwamoto, Shuto Hatanaka, Takayuki Suzuki
  • 学会等名: the 13th Japanese-Russian International Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高強度マイクロ波パルス照射下における逆スピンホール効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中橋 健太, 鐘本 勝一, 鈴木 貴之
  • 学会等名: 応用物理学会 2019年秋季学術講演会
• [学会発表] 高強度マイクロ波パルス照射下における逆スピンホール効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鐘本勝一, 中橋健太, 鈴木貴之
  • 学会等名: 電子スピンサイエンス学会年会2019
• [学会発表] 有機LED中の電子正孔対に対する電流検出及びEL検出磁気共鳴 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鐘本 勝一, 畑中 秀人, 岩本 晃典, 鈴木 貴之
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 有機半導体におけるスピン流発生時の素子電流測定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中橋健太, 鐘本勝一, 鈴木貴之
  • 学会等名: 電子スピンサイエンス学会2018
• [学会発表] 有機ダイオードにおける電流電圧特性とEDMR強度の関係 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岩本晃典，鐘本勝一
  • 学会等名: 電子スピンサイエンス学会2018
• [学会発表] Field-Induced Dissociation of Electron-Hole Pairs in Organic Light Emitting Diodes Monitored Directly from Bias-Dependent Magnetic Resonance Techniques (2017)
  • 著者名/発表者名: Katsuichi Kanemoto, Shuto Hatanaka
  • 学会等名: 5th Awaji International Workshop on “Electron Spin Science & Technology (AWEST)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 発光検出ESRから探る有機LED動作下の電子-正孔ペア (2017)
  • 著者名/発表者名: 畑中秀人、鐘本勝一
  • 学会等名: 第56回電子スピンサイエンス学会年会
• [学会発表] Electron-Hole Pairs in Organic Light Emitting Diodes Monitored by Bias-Dependent Magnetic Resonance Techniques. (2017)
  • 著者名/発表者名: Katsuichi Kanemoto, Shuto Hatanaka
  • 学会等名: The 11th Japanese-Russian International Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices, Awaji International Conference Center
  • 国際学会 / 招待講演
• [産業財産権] スペクトル測定装置、スピン流デバイス測定システム及びスピン流デバイス測定方法 (2020)
  • 発明者名: 鐘本勝一、鈴木貴之
  • 権利者名: 日本電子株式会社
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-142653
  • 出願年月日: 2020