| 研究課題/領域番号 |
23K23203
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01935 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分29010:応用物性関連
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| 研究機関 | 公立千歳科学技術大学 (2024)
名古屋大学 (2022-2023) |
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研究代表者 |
田中 久暁 公立千歳科学技術大学, 理工学部, 准教授 (50362273)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
2024年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2023年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
2022年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
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| キーワード | 導電性高分子 / キャリアドーピング / 電解質ゲート法 / マイクロ波伝導 / 熱電変換 / 絶縁体-金属転移 / 電荷輸送 / 電子スピン共鳴 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、導電性高分子薄膜において電荷キャリアが非局在化するための方法論を確立し、高い電荷輸送・熱電変換特性を実現させることを目標とする。そのため、材料設計、製膜手法、並びにキャリアドーピングの観点からキャリア非局在化をもたらす要因を探索し、高特性の発現につなげる。具体的には、マイクロ波を用いた微視的な電荷輸送評価法により高い輸送性能が潜在する材料を効率的に選別しつつ、高分子の主鎖配向化や精密なキャリア濃度制御を行い、高分子素子の高特性化を実現する。さらに、多様な物性測定を組み合わせ、薄膜の電荷輸送・熱電変換メカニズムを明らかにし、キャリア非局在化をもたらす指針解明を行う。
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| 研究実績の概要 |
本年度は、高結晶性高分子の一つであるPBTTT、及び、ドナー・アクセプタ（D-A）型高分子であるDPPT-TTを対象に電解質ゲート法による連続的キャリアドーピングを行い、ドープ薄膜の電子状態や電荷輸送特性を調べた。
前者のPBTTTに関しては、これまでの研究によりドーピングに伴う金属転移や、それを反映した熱電特性の変化が明らかになっていたが、移動度やキャリア濃度などの基礎的な物性パラメータは未解明であった。そこで本年度は、イオン液体からなる電解質ゲート絶縁膜と、SiO2の固体ゲート絶縁膜が共に配置されたデュアルゲート型の薄膜トランジスタ（TFT）を作製し、電解質ゲートにより高濃度に電気化学ドープされたPBTTT薄膜に対し、固体ゲートによりさらに静電的ドーピングを行った。静電的に変調されたキャリア濃度はSiO2絶縁膜の静電容量から計算できるため、観測された電気伝導率の変化から移動度が算出できる。このようにして求めたキャリア移動度は温度低下により増大し、バンド的な伝導機構が確認された。一方で、Hall効果から求めた電気化学ドープ膜のキャリア濃度は、移動度と電気伝導率から算出した値に比べ顕著に大きく、幅広い温度域で局在キャリアが存在することが明らかになった。このような局在キャリアの寄与は、ゼーベック係数の温度依存性測定からも示唆された。
また、後者のD-A型高分子DPPT-TTに関しては、高い分子平面性に起因した高い電界効果移動度が報告されている。そこで、電解質ゲート法でキャリアドーピングを行った結果、ESR法を用いた微視的なキャリア観測からはドーピングに伴う金属状態の形成が示された。一方、より巨視的な電気伝導測定からは可変領域ホッピング伝導が見られ、伝導性の向上にはトラップ効果の低減が必要であることがわかった。
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| 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
本研究は現在のところ順調に進展している。電解質ゲート法と固体ゲート絶縁膜を組み合わせた手法により、これまでドープ濃度が算出できなかった電気化学ドープ膜のキャリア濃度、及び移動度を求める方法論が確立され、より多様な材料・デバイスに適用する準備が整った。また、電解質ゲートTFTと同一基板上にヒーター線を配置し、電気伝導率とゼーベック係数の温度依存性を同一素子で測定する計測系の開発も進み、PBTTTを対象として基礎データの取得にも成功している。さらに、本年度は研究協力者の崔博士とともに、時間分解マイクロ波伝導度（TRMC）測定装置の作製に取り組み、室温におけるデータ取得に成功している。この状況から、次年度に向けてさらに研究を加速する準備が整ったといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度に引き続き、高い結晶性を示す高分子材料、及び、ドナー・アクセプタ(D-A)型構造を持つ高分子材料を対象として電解質ゲート法を用いた連続的キャリアドーピングを行い、キャリアの非局在化とそれに伴う電荷輸送・熱電変換特性の向上をすすめる。
これまでの研究により、高結晶性高分子PBTTTにおいてはドーピングに伴いキャリアが非局化し、磁気抵抗やHall効果、ゼーベック係数などの計測によりその寄与が明確に表れた。一方で、D-A型高分子DPPT-TTについては、電子スピン共鳴（ESR）法によるミクロな電子状態評価では非局在的な伝導電子の存在が示されたものの、電気伝導率や磁気抵抗は局在的なホッピング伝導を示した。これは、キャリア非局在化が高分子の一次元鎖内に限定され、鎖間はホッピング的に伝導するためだと推測される。そこで、次年度は鎖間方向により高い結晶性を示すD-A型高分子を対象にキャリアドーピングをすすめ、高い電荷輸送・熱電特性の実現を目指す。具体的には、D-A型高分子の特徴である高い分子平面性とπスタック方向の高い結晶性を併せ持つDPP-TVTが有力候補である。そこで、これらの高結晶性D-A型高分子の電気化学ドープ膜に対する電気伝導特性、磁気抵抗、並びにHall効果測定を行い、巨視的なキャリア非局在の発現、及び高い熱電変換出力因子の実現を探索する。
また、これまでに構築したTRMC測定系を用い、多様な高分子材料の移動度の微視的評価を行うと共に、ドープ膜における絶縁体-金属転移を識別するための手法構築をすすめる。
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