| 研究課題/領域番号 |
22K05028
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分32010:基礎物理化学関連
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
古川 行夫 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (50156965)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2025年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | 導電性ポリマー / PEDOT:PSS / 硫酸処理 / 2次ドーピング / キャリヤー密度 / 移動度 / ホール効果 / キャリヤー |
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| 研究開始時の研究の概要 |
導電性ポリマーであるPEDOT:PSSの新合成法を検討し，作成したPEDOT:PSSフィルムを濃硫酸で処理（カスケード・ドーピング）し，世界でトップの電気伝導率の実現を目指す．機器分析法でキャリヤーの種類（ポーラロンかバイポーラロンか）を同定し，形態と結晶性も検討する．電気伝導率，キャリヤー密度，移動度，ゼーベック係数を求め，電気伝導率が高くなるカスケード・ドーピングの物理的・化学的効果を明らかにする．
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| 研究実績の概要 |
2022年度に，ホール効果測定を行う機会があり，処理前のPEDOT:PSSフィルムではデータを得られなかったが，硫酸処理（カスケード・ドーピング）後のPEDOT:PSSフィルムではデータを得ることができた．通常のホール効果の解析方法で求めた電荷数密度は非常に大きく，解析方法を改良することが必要であることが分かった．そこで，本年度の課題として，電気伝導率とホール効果の温度依存性を20～300 Kで測定し，新しいホール効果解析方法を開発して硫酸処理したPEDOT:PSSの電気伝導機構を明らかにすることを設定した．硫酸処理したPEDOT:PSSでは20 Kにおいても300 Kの電気伝導率の約60％を示し，金属的伝導の存在が示唆された．そこで，これまでPEDOT:PSSの電気伝導を説明するバリアブル・レンジ・ホッピング（VRH）伝導に加えて，金属バンド伝導を考慮することとした．また，ホール効果測定において，磁場の印可によりローレンツ力を受ける電子はバンド伝導電子のみである．最小２乗法により，電気伝導率を金属バンド伝導とバリアブル・レンジ・ホッピング（VRH）伝導との和の関数に回帰し，それらの電気伝導率を用いて金属バンド伝導電子の電子数密度を求めることができ，妥当な電荷数密度を得ることができた．その結果，硫酸処理により電気伝導率が大幅に高くなる原因は，硫酸処理により金属伝導領域が生成したことであることが分かった．これは硫酸処理により結晶化度が増加する実験結果とも整合する．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
③PEDOT:PSSの物性に関する研究
硫酸処理したPEDOT:PSSの電気伝導率とホール効果をvan der Pauw配置で，20から300 Kの温度範囲で測定した．20 Kにおいても300 Kの約6割の電気伝導率を示し，金属的な電気伝導の存在が示唆された．測定した電気伝導率を，金属バンド伝導とバリアブル・レンジ・ホッピング（VRH）伝導との和の関数に，最小２乗法により，回帰することができた．硫酸処理による高い電気伝導率の起源は，硫酸処理により金属伝導領域が形成されたことであることが分かった．また，ホール効果測定の結果，金属バンド伝導とVRH伝導の電気伝導率を用いて，金属バンド伝導の電荷数密度を計算し，妥当な値を得ることができた．今回開発した方法は，今後，導電性高分子のホール効果解析法として利用されることが期待される．
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| 今後の研究の推進方策 |
当初計画したカスケード・ドーピングは硫酸処理であり，当初の計画を達成した．カスケード・ドーピングには酸処理と溶媒添加，溶媒処理があり，来年度はエチレングリコールやDMSO添加したPEDOT:PSSを作製して，課題②と③の研究を行う．すなわち，構造と物性に関する知見を得て，電気伝導度とゼーベック係数から，熱電材料として優れたものを見出す．
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