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第一原理に基づく熱電変換計算理論の開発と有機材料への応用

研究課題

研究課題/領域番号 18H01856
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分29010:応用物性関連
研究機関筑波大学

研究代表者

石井 宏幸  筑波大学, 数理物質系, 准教授 (00585127)

研究分担者 岡本 敏宏  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (80469931)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2021年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2020年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2019年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2018年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
キーワード熱電変換物性 / 大規模計算 / 有機半導体 / 時間依存波束拡散法 / 波束ダイナミクス / 熱電変換 / シミュレーション / 量子ダイナミクス / 密度汎関数
研究成果の概要

弱いファンデルワールス結合からなる有機半導体は、電子-フォノン相互作用が強いために、変形ポテンシャル近似などの従来の固体物理で使われてきた摂動論が使えない。そこで私たちは実時間上で電子-フォノン相互作用を直接評価し、それを用いて量子論に基づく波束の時間発展計算から伝導物性を算出する方法論「時間依存波束拡散法」を拡張し、熱電物性の計算も可能にした。またこれを実際の有機半導体に適用し、その有用性を示した。さらに開発の遅れているn型有機半導体の電子状態も調べたところ、p型と違って分子内振動との相互作用が無視できず、その相互作用が移動度にも重要な影響を及ぼすことを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高価な装置を必要とするシリコンデバイスに対して、基板に溶液を塗布するだけでアモルファスシリコンを超える移動度を達成できる有機半導体は、安価な材料として大きな強みをもつ。例えばIoT社会の実現に必要な年間1兆個のセンサの半導体材料や、それに電源を供給する熱電材料として有望である。しかし有機半導体は応用研究が先行し、原子レベルでの物性理解が遅れている。シリコンを想定した半導体物理学が、柔らかい有機半導体に適用できないためである。本研究成果の学術的意義は柔らかい材料に特徴的な未知の物性解明で、社会的意義は既存材料の性能向上に貢献する知見を与えることでより良い社会の実現に貢献することである。

報告書

(5件)
  • 2021 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (34件)

すべて 2021 2020 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 3件、 査読あり 12件、 オープンアクセス 11件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 7件、 招待講演 5件) 備考 (4件)

  • [雑誌論文] "Gate induced modulation of electronic states in monolayer organic field-effect transistor"2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ishii*, Naotaka Kasuya, Nobuhiko Kobayashi*, Kenji Hirose, Shohei Kumagai, Shun Watanabe, and Jun Takeya
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 119 号: 22 ページ: 223301-223301

    • DOI

      10.1063/5.0058666

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Approaching isotropic charge transport of n-type organic semiconductors with bulky substituents2021

    • 著者名/発表者名
      Yu Craig P.、Kojima Naoya、Kumagai Shohei、Kurosawa Tadanori、Ishii Hiroyuki、Watanabe Go、Takeya Jun、Okamoto Toshihiro
    • 雑誌名

      Communications Chemistry

      巻: 4 号: 1 ページ: 1-10

    • DOI

      10.1038/s42004-021-00583-2

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Extended π-Electron Delocalization in Quinoid-Based Conjugated Polymers Boosts Intrachain Charge Carrier Transport2021

    • 著者名/発表者名
      Mikie Tsubasa、Hayakawa Masahiro、Okamoto Kenta、Iguchi Keitaro、Yashiro Shuhei、Koganezawa Tomoyuki、Sumiya Masatomo、Ishii Hiroyuki、Yamaguchi Shigehiro、Fukazawa Aiko、Osaka Itaru
    • 雑誌名

      Chemistry of Materials

      巻: 33 号: 21 ページ: 8183-8193

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.1c02072

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Bent-Shaped p-Type Small Molecule Organic Semiconductors: A Molecular Design Strategy for Next-Generation Practical Applications2020

    • 著者名/発表者名
      T. Okamoto, C. Yu, C. Mitsui, M. Yamagishi, H. Ishii, J. Takeya
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: - 号: 20 ページ: 9083-9096

    • DOI

      10.1021/jacs.9b10450

    • NAID

      120007168343

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Robust, high-performance n-type organic semiconductors2020

    • 著者名/発表者名
      T. Okamoto, S. Kumagai, E Fukuzaki, H. Ishii, G. Watanabe, N. Niitsu, T. Annaka, M. Yamagishi, Y. Tani, H. Sugiura, T. Watanabe, S. Watanabe, and J. Takeya
    • 雑誌名

      Sci. Adv.

      巻: 6 号: 18

    • DOI

      10.1126/sciadv.aaz0632

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書 2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Band-like transporting and thermally durable V-shaped organic semiconductors with a phenyl key block2020

    • 著者名/発表者名
      C. Sawabe, S. Kumagai, M. Mitani, H. Ishii, M. Yamagishi, H. Sagayama, R. Kumai, H. Sato, J. Takeya and T. Okamoto
    • 雑誌名

      J. Mater. Chem. C,

      巻: 8 号: 40 ページ: 14172-14179

    • DOI

      10.1039/d0tc03318a

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cooperative Aggregations of Nitrogen-Containing Perylene Diimides Driven by Rigid and Flexible Functional Groups2020

    • 著者名/発表者名
      S. Kumagai, H. Ishii, G. Watanabe, T. Annaka, E. Fukuzaki, Y. Tani, H. Sugiura, T. Watanabe, T. Kurosawa, J. Takeya, and T. Okamoto
    • 雑誌名

      Chem. Mater.

      巻: 32 号: 21 ページ: 9115-9125

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.0c01888

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Charge mobility calculation of organic semiconductors without use of experimental single-crystal data2020

    • 著者名/発表者名
      Ishii Hiroyuki、Obata Shigeaki、Niitsu Naoyuki、Watanabe Shun、Goto Hitoshi、Hirose Kenji、Kobayashi Nobuhiko、Okamoto Toshihiro、Takeya Jun
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 号: 1 ページ: 2524-2524

    • DOI

      10.1038/s41598-020-59238-2

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Second highest occupied molecular orbital effects on the valence band structure of organic semiconductors2019

    • 著者名/発表者名
      Kuroda Yuki、Ishii Hiroyuki、Yoshino Sayaka、Kobayashi Nobuhiko
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 58 号: SI ページ: 1-5

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab19b0

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fabrication of Highly Oriented Multilayer Films of Picene and DNTT on Their Bulklike Monolayer2019

    • 著者名/発表者名
      Zhang Chunyang、Tsuboi Hiromu、Hasegawa Yuri、Iwasawa Masato、Sasaki Masahiro、Wakayama Yutaka、Ishii Hiroyuki、Yamada Yoichi
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 4 号: 5 ページ: 8669-8673

    • DOI

      10.1021/acsomega.9b00826

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Quantitative mobility evaluation of organic semiconductors using quantum dynamics based on density functional theory2018

    • 著者名/発表者名
      Ishii Hiroyuki、Inoue Jun-ichi、Kobayashi Nobuhiko、Hirose Kenji
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 98 号: 23 ページ: 235422-235422

    • DOI

      10.1103/physrevb.98.235422

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Theory of electron transport at the atomistic level2018

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Nobuhiko、Ishii Hiroyuki、Hirose Kenji
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 57 号: 8S1 ページ: 08NA01-08NA01

    • DOI

      10.7567/jjap.57.08na01

    • NAID

      210000149434

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Charge transport simulations of organic semiconductors for materials development2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ishii
    • 学会等名
      2021 KPS Spring Meeting, Korea-Japan joint symposium
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 有機半導体の電荷輸送におけるポーラロンと動的構造揺らぎの影響2021

    • 著者名/発表者名
      石井宏幸、吉田弘幸、小林伸彦
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Impact of small polaron with low-frequency molecular vibrations on electron mobility of organic semiconductors2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ishii, Hiroyuki Yoshida, Nobuhiko Kobayashi
    • 学会等名
      The 10th workshop on Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications (ASOMEA-X)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Charge transport calculations of p-type and n-type organic flexible semiconductors based on quantum wave-packet dynamics2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ishii, Hiroyuki Yoshida, Nobuhiko Kobayashi
    • 学会等名
      Materials Research Meeting (MRM2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 有機半導体における電子と正孔の移動度の差とその微視的起源2021

    • 著者名/発表者名
      石井宏幸、吉田弘幸、小林伸彦
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Charge transport simulations based on density functional theory2020

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ishii
    • 学会等名
      International conference on Solid State Devices and Materials 2020 (SSDM2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Prediction of Intrinsic Charge Mobility for Materials Developments of Organic Semiconductors2020

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ishii
    • 学会等名
      International Display Workshops 2020 (IDW'20)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 有機半導体の電荷輸送における分子間振動と分子内振動の影響2020

    • 著者名/発表者名
      石井宏幸、小林伸彦、広瀬賢二
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Quantitative Prediction of Mobility for Organic Semiconductors using Quantum Dynamics based on Density functional theory2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ishii, J. Inoue, N. Kobayashi and K. Hirose
    • 学会等名
      10th International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 有機半導体の熱電物性評価のための大規模計算法の開発2019

    • 著者名/発表者名
      石井宏幸、小林伸彦、広瀬賢二
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 量子ダイナミクスによる有機半導体の電荷・熱輸送計算2019

    • 著者名/発表者名
      石井宏幸、小林伸彦、広瀬賢二、
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 有機半導体の熱電物性評価のための大規模計算法の開発2019

    • 著者名/発表者名
      石井宏幸、小林伸彦
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 有機半導体の結晶構造とキャリア移動度の予測:移動度予測シミュレーション2019

    • 著者名/発表者名
      石井宏幸、小畑繁昭、新津直幸、渡邉峻一郎、後藤仁志、広瀬賢二、小林伸彦、岡本敏宏、竹谷純一
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 波束拡散法を用いた有機半導体の熱電物性計算2019

    • 著者名/発表者名
      石井宏幸、小林伸彦、広瀬賢二
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] High-Performance Simulation for Quantum Charge Transport in Large-Scale Materials2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Ishii, Nobuhiko Kobayashi
    • 学会等名
      Americas international Meeting on Electrochemistry and Solid state science (AiMES2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Second-Highest-Occupied-Orbital Effects on Valence Band Structure of Organic Semiconductors2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Kuroda, H. Ishii, S. Yoshino, and N. Kobayashi
    • 学会等名
      14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] キャリア輸送理論による有機半導体の設計2018

    • 著者名/発表者名
      石井宏幸
    • 学会等名
      日本物理学会 2018年秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 第一原理に基づく有機半導体の電子伝導シミュレーション ~電子の遍歴性と局在性が紡ぐ伝導物性~2018

    • 著者名/発表者名
      石井宏幸、小林伸彦
    • 学会等名
      2018年 第79回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [備考] 石井宏幸のホームページ

    • URL

      http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ishii/

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 石井宏幸のホームページ

    • URL

      http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ishii/index.html#achievement

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] 石井宏幸のホームページ

    • URL

      http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ishii/index.html

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書 2018 実績報告書
  • [備考] Hiroyuki Ishii, Ph. D.

    • URL

      http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ishii/index-e.html

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2023-01-30  

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