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2017 年度 実績報告書

分子静電気エレクトロニクスに向けた光学手法によるトライボ発電ミクロ起源の研究

研究課題

研究課題/領域番号 17H03230
研究機関東京工業大学

研究代表者

田口 大  東京工業大学, 工学院, 助教 (00531873)

研究分担者 間中 孝彰  東京工業大学, 工学院, 教授 (20323800)
岩本 光正  東京工業大学, 教育・国際連携本部, 特任教授 (40143664)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2022-03-31
キーワード電子・電気材料 / 誘電体物性 / 可視化 / マイクロ・ナノデバイス / 低消費電力・高エネルギー密度 / ナノマシン電子工学 / 非線形光学 / 電子デバイス・機器
研究実績の概要

摩擦電気を利用するトライボ発電は、摩擦材料の開発により急速に発電面密度が向上している。本研究は、研究代表者独自の光学的静電気評価手法の波長選択性と時間分解能を活かして、摩擦発電の分子レベルでの起源を特定する世界初の手法を確立し、分子静電気エレクトロニクスへ向けた材料評価基盤を構築することを目的とする。
初年度は研究実施計画に従い、EFISHG測定により摩擦電気を可視化する評価システムを新たに構築した。そして、EFISHG測定を用いれば摩擦電気を光学的に可視化できること(-500Vの摩擦帯電で発生するEFISHG光をCCDで画像撮影できること)を実証した。研究実施計画の項目ごとの成果の概要は下記通りである。これらの成果は主に国内学会発表により公表した。
(A)摩擦電気の起源の特定(実空間):摩擦装置をEFISHG測定系に導入し、摩擦しながらEFISHG測定ができるシステムを構築した。当初計画した並進による摩擦装置と、ローラー回転による摩擦装置を構築した。表面電位測定による校正システムを作製し、摩擦帯電電圧を定量化してEFISHG測定により画像化できる。当初計画では校正用の電極を備えた測定試料を作製する予定であったが、研究を進める中で校正用電極によらない方法に変更した。本来摩擦発電には不要の校正用電極を用いることなく校正できる。
(B)摩擦電気発生ダイナミクスの解明(時間発展):10 Hzでレーザーに同期して摩擦帯電を画像化する測定システムを構築し、摩擦帯電を撮影した。翌年度に摩擦帯電のリアルタイム動画撮影を実施する。従来法の静電プローブとは一線を画する高速な摩擦電気の可視化法を実現できる予定である。
(C)摩擦発電中の分子エネルギー状態の評価(エネルギー空間):並進運動による摩擦後に熱刺激電流測定及び電荷変調分光測定を行う測定系を構築した。

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、研究代表者独自のキャリア評価手法であるEFISHG測定を拡張し、摩擦電気を可視化する評価システムを新たに実現して摩擦発電の分子的起源を明らかにできる材料評価基盤を実現することを目的としている。とくに、摩擦帯電のキャリアには電荷と双極子などがあるが、これらを選択的に測定できることを実証することが、申請時にうったえた、STMなどの走査型プローブ顕微鏡によるミクロ起源の研究と一線を画する新手法として確立するために不可欠である。初年度は研究実施計画に従い、摩擦帯電装置をEFISHG測定系に導入した実験装置を構築した。そして、その実験装置により、摩擦帯電の測定ができること(-500Vの摩擦帯電をEFISHG測定できること)を実証した。とくに、摩擦発電の発電層として用いられているカプトン型(PMDA-ODA)ポリイミドの実験により、電荷が発生するEFISHGと、双極子が発生するEFISHGが、異なる光の波長で発生することを確認できたことから、EFISHG法が摩擦帯電のミクロ起源を特定して可視化できる技術であることを本研究の実施により初めて実証した。翌年度以降の研究を計画の通り実施していく。

今後の研究の推進方策

2年度目にあたる平成30年度は申請時の研究計画に従い進める。なお、初年度は研究計画に大きな変更が必要な課題は生じていない。また、初年度の成果を受けて優先順位を下記項目の順番通りとして研究を実施する。さらに、初年度の研究実施により新たに挑戦可能な段階になったものを追加して研究を行う計画とする。
(1)摩擦電気の起源の特定(実空間):摩擦発電の発電層として用いられるカプトン型ポリイミドをフィルムで摩擦し、EFISHGで摩擦電気の起源(電荷と双極子)を可視化する。フィルムには初年度に実施した試し段階の実験結果を反映して、導電体(ITO)及び絶縁体(テフロンFEP及びポリエチレンテレフタレート)を用いる。
(2)摩擦電気発生ダイナミクスの解明(時間発展):初年度の研究の実施により、摩擦電気をリアルタイムに動画撮影できることがわかった。テフロンFEPテープをポリイミドフィルムから剥離した後の摩擦電気の減衰を、EFISHG測定でリアルタイム動画撮影を実施する。
(3)摩擦発電中の分子エネルギー状態の評価(エネルギー空間):エネルギー状態の異なる場合の摩擦発電の分子起源を特定できる実験の実現のために、アゾベンゼンの光異性体(trans体とcis体)のEFISHGスペクトル測定を行い、実験条件(プローブ光波長)を明確化する。
以上の計画を実施し、その結果を統括する。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Research trend in thermally stimulated current method for development of materials and devices in Japan2018

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

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 57 ページ: 03EA04~03EA04

    • DOI

      10.7567/JJAP.57.03EA04

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Novel Microscopic Analyzing System for Characterizing Organic Light-Emitting Diodes Using EFISHG and LBIC Measurements2017

    • 著者名/発表者名
      SADAKATA ATSUO、TAGUCHI DAI、MANAKA TAKAAKI、IWAMOTO MITSUMASA
    • 雑誌名

      Electronics and Communications in Japan

      巻: 100 ページ: 76~83

    • DOI

      10.1002/ecj.12017

  • [雑誌論文] EFISHGおよびLBIC測定を用いた有機EL素子の顕微解析装置の開発2017

    • 著者名/発表者名
      貞方 敦雄、田口 大、間中 孝彰、岩本 光正
    • 雑誌名

      電気学会論文誌A(基礎・材料・共通部門誌)

      巻: 137 ページ: 128~134

    • DOI

      10.1541/ieejfms.137.128

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhancement of the carrier mobility of conducting polymers by formation of their graphene composites2017

    • 著者名/発表者名
      Chauhan A. K.、Gupta S. K.、Taguchi D.、Manaka T.、Jha P.、Veerender P.、Sridevi C.、Koiry S. P.、Gadkari S. C.、Iwamoto M.
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 7 ページ: 11913~11920

    • DOI

      10.1039/c6ra26195g

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Direct visualization of polarization reversal of organic ferroelectric memory transistor by using charge modulated reflectance imaging2017

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

      Journal of Applied Physics

      巻: 122 ページ: 185501~185501

    • DOI

      10.1063/1.5004002

    • 査読あり
  • [学会発表] 電界誘起光第2次高調波発生法によるトライボ発電層(カプトン型ポリイミド)の摩擦電気の可視化2018

    • 著者名/発表者名
      田口大、間中孝彰、岩本光正
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 電界誘起光第二次高調波発生(EFISHG)測定とC-f測定を用いたバルクヘテロ接合太陽電池の光照射効果による空乏層形成2018

    • 著者名/発表者名
      藤生駿佑、田口大、間中孝彰
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 時間分解光第二次高調波発生法を用いた有機ドナー/アクセプタ界面における励起子およびキャリアダイナミクス評価2018

    • 著者名/発表者名
      松尾魁士、田口大、間中孝彰
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 電界誘起光第2次高調波発生法による錫ペロブスカイト太陽電池の内部電界評価2018

    • 著者名/発表者名
      野間大史、田口大、間中孝彰、岩本光正
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] DA型共重合体配向膜における光学・電気的異方性の相関評価2018

    • 著者名/発表者名
      土屋春樹、田口大、間中孝彰
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 第2次光高調波発生法によるトライボ発電層(PMDA-ODA型ポリイミド)の配向分極の選択的評価2017

    • 著者名/発表者名
      田口大、間中孝彰、岩本光正
    • 学会等名
      第78回応用物理学会 秋季学術講演会
  • [学会発表] トライボ発電層(ポリエチレンテレフタレート)に形成する静電界の電界誘起第2次光高調波発生測定2017

    • 著者名/発表者名
      田口大,間中孝彰, 岩本光正
    • 学会等名
      2017年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] Probing electric-field-induced optical second-harmonic generartion from tin perovskite CH3NH3SnI3 films2017

    • 著者名/発表者名
      Taishi Noma, Dai Taguchi, Takaaki Manaka, Mitsumasa Iwamoto
    • 学会等名
      9th International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE9)
    • 国際学会
  • [学会発表] Probing internal electric field in tin perovskite films by electric-field-induced optical second-harmonic generation measurement2017

    • 著者名/発表者名
      Taishi Noma, Dai Taguchi, Takaaki Manaka, Mitsumasa Iwamoto
    • 学会等名
      The 2017 KJF International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics (KJF-ICOMEP 2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] P3HT:PCBM逆型バルクヘテロ接合太陽電池の光照射による開放電圧上昇と電界誘起光第2次高調波発生法(EFISHG)による内部電界の選択的測定2017

    • 著者名/発表者名
      藤生駿佑、田口大、間中孝彰
    • 学会等名
      第78回応用物理学会 秋季学術講演会
  • [学会発表] 鉛ペロブスカイト層から発生するEFISHG信号の外部電圧依存性2017

    • 著者名/発表者名
      廣谷瞭、野間大史、田口大、間中孝彰
    • 学会等名
      第78回応用物理学会 秋季学術講演会
  • [学会発表] 錫ペロブスカイトから発生する電界誘起光第2次高調波の電界依存性の検討2017

    • 著者名/発表者名
      野間大史、田口大、間中孝彰、岩本光正
    • 学会等名
      第78回応用物理学会 秋季学術講演会
  • [学会発表] DA型共重合体配向膜における光学・電気的異方性の相関の評価2017

    • 著者名/発表者名
      土屋春樹、田口大、間中孝彰
    • 学会等名
      2017年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [備考] T2R2東京工業大学リサーチリポジトリ

    • URL

      http://t2r2.star.titech.ac.jp/

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公開日: 2018-12-17  

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