単結晶超薄片を用いた有機極性材料の機能開拓

• 研究課題/領域番号: 21K18899
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分29:応用物理物性およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 宮島 大吾 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, ユニットリーダー (60707826)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2021年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
• キーワード: 単結晶 / 切片 / ミクロトーム / ウルトラミクロトーム / 薄片

研究開始時の研究の概要

単結晶では分子の配向も一義的に決まっており、構造相関を議論するのに最も適している。一方、例えば有機太陽電池では活性層の厚さは数十nmであり、溶液等で別途作成した単結晶をそのまま利用できる系は限られている。本研究では単結晶の分子配列を一切壊すことなく超薄片を作成し、分子配列との物性相関を議論する手法の確立を目指す。

研究成果の概要

本研究では有機の単結晶をウルトラミクロトームにより切り出し超薄片を作成する技術の開発を行った。
単化粧を切り出す際の条件の最適化だけでなく、単結晶を埋め込むためのレジンも検討した所、より硬いレジンの方が結晶形状を損なうことなく切り出せるという結論になった。一方、無機材料などより硬い材料を試した所、切り出せるももの、結晶切片は細かく砕けてしまうことが多かった。この結果より、本技術はまだまだ適用範囲は限られるものの、有機材料に限定すれば、ある程度正確に切り出せるという結論に至った。今後はこの切り出した切片を用い、材料物性を評価していくことで、本技術の有用性を広く評価していくことが目標である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

単結晶材料は分子の配列が一義的に決まり、構造-物性相関を議論するのに最適である。しかしながら結晶サイズの制御は難しく、結晶の種類によってはEFT素子などを作成し評価することが困難なことも多い。有機材料は一般にキャリア密度が小さく、キャリアをドーピングしないと電気を流しにくい。化学的なドーピングも行えるが、単結晶構造そのものが変化し、全く異なる材料の物性を評価することになる。分子配列を損なうこと無く、簡便に電子物性を評価するためにも結晶構造を保ったまま超薄片にすることが望まれていた。本研究はそのような技術を提供するものである。