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先進的電子デバイスにおける劣化のサイエンス

研究課題

研究課題/領域番号 23K22789
補助金の研究課題番号 22H01519 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分21050:電気電子材料工学関連
研究機関東京工業大学

研究代表者

間中 孝彰  東京工業大学, 工学院, 教授 (20323800)

研究分担者 田口 大  東京工業大学, 工学院, 准教授 (00531873)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)
2025年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2024年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2023年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2022年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
キーワード有機デバイス / 素子劣化 / 分光計測 / 有機エレクトロニクス / 光第二次高調波発生 / 光第二次高調波 / SHG測定
研究開始時の研究の概要

素子の「劣化」は本質的に防ぐことはできないが、封止などの対策により進行を遅くすることはできる。一方、これらの対策は経験則に基づいており、学術的に定着しているとはいえない。本研究では、「劣化」のサイエンスとして確立するため、動作下にあるデバイスを対象としたオペランド測定と、申請者が独自開発した電界イメージング技術を組み合わせ、多角的かつ系統的に議論を進める。特に、超高速電界イメージングによって劣化が生じる前の前駆現象を捉え、劣化の進行をその場観察によってモニターし、その上で劣化によって生じた変化を化学的に評価するといった一連の検討から、「劣化とは何か?」という学術的「問い」に対して答えていく。

研究実績の概要

本研究では、様々な光学的手法を用いて電界を可視化するという独自技術を用い、劣化の前駆段階における微小な変化を捉えつつ、前駆現象から素子破壊まで、劣化現象を連続的・系統的に捉えることを目的としている。本年度は、昨年度構築した、LBIC測定と、結合状態や結晶性を評価できるラマン分光を同時測定できるシステムを用いて、デバイスの光電流値及びラマンシグナルの面内分布から劣化評価を試みた。LBIC測定用光源及びラマン励起光には波長532 nmのDPSSレーザーを用いた。Au/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM(BHJ)/ITO構造の太陽電池を作製し、擬似太陽光照射及び熱印加によって劣化させ、その前後での光電流値とラマンシグナルの面内分布評価に成功した。ラマンスペクトルではP3HTのチオフェン環C=C伸縮振動に起因するメインピークが確認される波数範囲1400cm-1から1500 cm-1に着目し、面内ピーク強度分布をプロットした。光照射による劣化では、変換効率は30分照射後に一旦2倍以上増加し、そこから照射時間とともに低下することを確認した。また、光電流値とラマンシグナルも同様に増減していることを確認した。これはライトソーキング効果によって新たな結合状態が形成された可能性や、分子の分極率変化を示唆している。熱印加による劣化においても変換効率は1サイクル目終了後に増加し、そこからサイクル数が増えると緩やかに低下することがわかった。光照射による劣化と同様に、変換効率にともなってLBICの光電流値やラマンシグナルが増減していることが確認された。この変化もまた、分極率や結合状態の変化が反映されたと考えている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

一昨年度に前倒し使用を申請して準備を行ったラマン測定を実施し、光電流の減少(デバイス劣化)とラマン信号の変化との対応を取ることができた。ラマン測定については、進展があったと言えるが、現在SHGによる劣化評価とラマン測定の結果との関連性を検討している。これにより、有機太陽電池の劣化原因についての議論を進めることができる。また、同じく分光学的な手法である、ゲート変調分光法による評価も試みた。ゲート変調分光では、主にキャリア注入による変調(CMS)と電場による変調(EMS)が観測される。キャリア挙動を議論する上では、CMSが重要であり、そのためEMS成分との分離が必要となる。様々な電圧印加条件で、変調スペクトルを評価することで、変調スペクトルの形状と変調強度の電圧依存性から、それぞれを分離する手法を確立した。今後は、この変調分光法も活用しながら、デバイス劣化原因の検討を進める。

今後の研究の推進方策

SHGによる劣化イメージングと、ラマンイメージングは本研究での中核となる技術であるため、今後も評価を継続していく。一方、現状では、LBICとラマン、LBICとSHGについてはそれぞれ同時測定(LBICとSHGは厳密には同時測定ではなく、光源の切り替えによりサンプルの置き換え等が必要のない測定ができる状態)ができているので、ラマンとSHGについても同一のセットアップで測定できるように順次改良を施す計画である。これにより、それぞれの劣化イメージングを正確に比較することが可能となる。また、昨年度検討を始めたCMS測定による劣化評価についても、劣化に対する特徴的なスペクトルを得られるかどうかについて、検討を進めていく。併せて、劣化が始まった箇所と未劣化箇所を比較してキャリア挙動や励起子分離挙動の違いを評価するとともに、PLイメージングによるキャリア寿命評価を行う。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (26件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 9件、 招待講演 6件)

  • [雑誌論文] Electrode process of mobile ions in generating space-charge polarization2024

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Sawada and Takaaki Manaka
    • 雑誌名

      Phys. Rev. E

      巻: 109 号: 3 ページ: 034802-034802

    • DOI

      10.1103/physreve.109.034802

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Three Distinct Polar Phases, Isotropic, Nematic, and Smectic-A Phases, Formed from a Fluoro-Substituted Dimeric Molecule with Large Dipole Moment2023

    • 著者名/発表者名
      Shigemasa Nakasugi, Sungmin Kang, Tso-Fu Mark Chang, Takaaki Manaka, Hiroki Ishizaki, Masato Sone, and Junji Watanabe
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. B

      巻: 127 号: 29 ページ: 6585-6595

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.3c02259

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dipolar energy as an electrical power source: dipole rotation in solids enables a new source for the triboelectric generator2023

    • 著者名/発表者名
      Taguchi Dai、Manaka Takaaki、Iwamoto Mitsumasa
    • 雑誌名

      physica status solidi (a)

      巻: - 号: 24 ページ: 2300138-2300138

    • DOI

      10.1002/pssa.202300138

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Optical operand measurements for studying the organic semiconductor devices2024

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Manaka
    • 学会等名
      2024 Korean Physical Society Spring Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ディップコート法による配向したドメインを持つ可溶性フタロシアニン薄膜の形成2024

    • 著者名/発表者名
      大須賀 匠、田口 大、間中 孝彰
    • 学会等名
      2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 熱刺激電流測定による双極子緩和時間を用いたP(VDF-TrFE)摩擦発電素子の出力電力検討2024

    • 著者名/発表者名
      岡本 裕介、田口 大、間中 孝彰
    • 学会等名
      2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] キラルエレクトロニクスに向けたキラルペロブスカイト薄膜の作製とその電気・光学的特性2024

    • 著者名/発表者名
      間中孝彰
    • 学会等名
      令和6年電気学会全国大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] PMDA-ODAポリアミック酸スピンコート膜のI-V測定による摩擦発電の評価2024

    • 著者名/発表者名
      前田真晴人, 田口 大, 間中孝彰
    • 学会等名
      2024年電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Pump-Probe SHG Spectroscopy for Observing Exciton and Carrier Dynamics in Organic Solar Cells2023

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Manaka, Dai Taguchi, Mitsumasa Iwamoto
    • 学会等名
      The 22nd International Discussion & Conference on Nano Interface Controlled Electronic Devices (IDCNICE2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Operando measurements with optical technique for investigation of organic semiconductor devices2023

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Manaka
    • 学会等名
      13th International Conference on Advanced Materials and Devices (ICAMD2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] PMDA-ODAポリアミック酸スピンコート膜の摩擦発電その場観察のためのSHG測定系の構築2023

    • 著者名/発表者名
      前田 真晴人、田口 大、間中 孝彰
    • 学会等名
      2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 銅フタロシアニン結晶ドメインにおけるキャリア輸送評価2023

    • 著者名/発表者名
      西村 勇亮、田口 大、間中 孝彰
    • 学会等名
      2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 先進ナノ材料と有機デバイス開発に向けたオペランド計測技術2023

    • 著者名/発表者名
      間中孝彰
    • 学会等名
      令和5年電気学会基礎・材料・共通部門大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 顕微ラマン・LBIC同時測定による有機薄膜太陽電池の劣化評価2023

    • 著者名/発表者名
      安達周平, 田口大, 間中孝彰
    • 学会等名
      2023年電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 双極子緩和時間の異なる摩擦発電の等価回路パラメータ評価のためのIV測定系構築とpoly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene)の評価2023

    • 著者名/発表者名
      岡本裕介, 田口大, 間中孝彰
    • 学会等名
      2023年電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 摩擦発電用P(VDF-TrFE)スピンコート膜の分極条件の検討2023

    • 著者名/発表者名
      呉 沁洋, 田口 大, 間中孝彰
    • 学会等名
      有機エレクトロニクス研究会 (OME)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] バーコート法によるCH3NH3PbI3ペロブスカイト薄膜の作製と光吸収スペクトル測定による評価2023

    • 著者名/発表者名
      武衛颯汰, 田口 大, 間中孝彰
    • 学会等名
      有機エレクトロニクス研究会 (OME)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 溶液塗布法を用いた可溶性フタロシアニン薄膜作製における成膜条件の検討2023

    • 著者名/発表者名
      大須賀 匠, 西村勇亮, 田口 大, 間中孝彰
    • 学会等名
      有機エレクトロニクス研究会 (OME)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 熱刺激電流を発生させる蓄電池としてのポリアミック酸を用いたMIM構造素子の作製2023

    • 著者名/発表者名
      中川 亮, 岡本裕介, 前田真晴人, 田口 大, 間中孝彰
    • 学会等名
      有機エレクトロニクス研究会 (OME)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 摩擦発電のためのpoly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene) スピンコート膜の熱刺激電流測定2023

    • 著者名/発表者名
      岡本 裕介、田口 大、間中 孝彰
    • 学会等名
      2023年第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Spectroscopic Operand Measurements for Studying Organic Semiconductor Devices and Materials2022

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Manaka
    • 学会等名
      International Discussion & Conference on Nano Interface Controlled Electronic Devices (IDC-NICE 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Spectroscopic operand measurements for investigating the organic semiconductor devices and materials2022

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Manaka
    • 学会等名
      15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Evaluation of degradation process of organic thin film solar cells using LBIC and optical second harmonic generation2022

    • 著者名/発表者名
      Yuki Okada, Dai Taguchi, Takaaki Manaka
    • 学会等名
      13th International Conference on Nano-Molecular Electronics (ICNME2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Dipolar energy as an electrical power source: dipole rotation in solids opens a new way for triboelectric generator2022

    • 著者名/発表者名
      Dai Taguchi, Takaaki Manaka, Mitsumasa Iwamoto
    • 学会等名
      13th International Conference on Nano-Molecular Electronics (ICNME2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Study on molecular alignment change of tin phthalocyanine film grown by vacuum deposition in DC electric field2022

    • 著者名/発表者名
      Riku Koshiba, Dai Taguchi, Takaaki Manaka
    • 学会等名
      13th International Conference on Nano-Molecular Electronics (ICNME2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluation on Chirality Temperature Dependence of Hybrid Perovskites thin film2022

    • 著者名/発表者名
      Feng Wei, Dai Taguchi, Takaaki Manaka
    • 学会等名
      13th International Conference on Nano-Molecular Electronics (ICNME2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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