| 研究課題/領域番号 |
23K23206
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01938 (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 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
中山 健一 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (20324808)
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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: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2022年度: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円)
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| キーワード | 有機半導体 / キャリア移動度 / 分子配向 / 縦型トランジスタ / 縦型デバイス |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、有機ELや有機太陽電池などのサンドイッチ型有機デバイスで重要となる、「縦方向（膜厚方向）キャリア移動度をどこまで上げることができるか？」という課題に、①基板上での分子配向技術、②二次元・三次元伝導に適した材料の探索、③縦方向移動度の評価方法、の３つの視点を軸に実験・計算の両面から探索を行い、縦方向伝導における分子構造―薄膜構造―光・電気物性の階層的関係を理解する学理を確立する。
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| 研究実績の概要 |
有機半導体薄膜における縦方向移動度を抜本的に向上させることを目的として、基板上の分子配向制御および三次元的な伝導を示す材料の探索を行っている。具体的には、当グループで製法を確立した極薄rGO膜のテンプレート層を用いて分子配向制御することにより、有機薄膜太陽電池の性能向上を目指している。
これまでにチオフェンオリゴマーであるα-6T分子においてface-on配向が有機できることを見出しており、昨年度は、α-6T膜をドナーに、サブフタロシアニンをアクセプターに用いた平面ヘテロ接合型太陽電池において、分子配向制御による性能向上を実現した。さらに、α-6Tのface-on配向化により縦方向（膜厚方向）の励起子拡散長が伸びることを見出し、平面ヘテロ接合型太陽電池における新たなデバイス設計指針を提案した。
極薄膜rGOをソース電極とし、ゲート電圧印加により絶縁層を介してrGOソース電極のフェルミレベルがシフトする現象を使った縦型有機トランジスタ（rGO-VOFET）の開発を行っている。これまで酸化グラフェンの還元には、ヒドラジン暴露と300℃での加熱処理を行う手法を用いていたが、この場合、フレキシブル基板を用いることができなかった。昨年度は、新たな還元手法としてヨウ化水素を用いた手法を用いることにより、100℃以下の低温で参加グラフェンを還元し、そのrGOを用いてVOFETを動作させることに成功した。
さらに、究極的な縦方向移動度向上のためには結晶構造の全方位に大きな電荷カップリングを持ち三次元的な伝導を示す材料が必要であることから、そのような材料を結晶構造データベースから探索する手法の開発に着手した。Cambridge Crystal Structure Databaseを用いて、三次元的伝導に有利なブリックウォール構造の結晶構造を類似構造探索により集め、それらの結晶構造に基づいて電荷カップリングを自動で計算するシステムを開発した。
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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
昨年度の交付申請時に計画していた、①分子配向制御による有機太陽電池の性能向上、②低温還元によるrGO-VOFETの作製、さらに全く新しい挑戦となる③結晶データベースからの三次元的な伝導を示す結晶構造の探索、のいずれにおいても順調に研究が進捗し、期待していた成果が得られたため。
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| 今後の研究の推進方策 |
（１） rGOテンプレート層を用いた分子配向制御による有機太陽電池の性能向上
本年度は、結晶構造と励起子拡散長の関係について議論するための枠組みを確立する。具体的には、励起子拡散長を実験的に求める手法と、量子化学計算に基づいて励起子拡散長の予測値を求める手法を確立し、結晶構造と励起子拡散長の関係について考察できるようにする。
（２） p型有機半導体を用いたrGO-VOFETの実現
昨年度までに、再現性よくrGO-VOFETを作製する手法を確立したため、本年度は有機半導体層の材料に着目し、ほとんど未開拓であるp型有機半導体材料を用いたrGO-VOFETの検討を行う。p型有機半導体は一般的に、n型有機半導体より高い移動度を持ち、高性能化が期待できる。
（３） 三次元伝導に適した結晶構造の探索システムの拡張
昨年度、意図している構造モチーフから類似結晶構造を検索し、各結晶軸に対する電荷カップリングを自動計算する手法を確立した。本年度は本システムを発展させて、三次元的な電荷カップリングを持つ結晶構造を示す分子構造の傾向を、分子を特徴づける記述子を導入して機械学習に基づいて分析する。
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