| 研究課題/領域番号 |
17K17640
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| 研究機関 | 千葉大学 |
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研究代表者 |
田中 有弥 千葉大学, 先進科学センター, 助教 (90780065)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 変位電流評価法 / インピーダンス分光 / 微小電場重畳型変位電流評価法 / 電気化学発光セル / 電子伝導 / イオン伝導 / 有機半導体 / 電気測定 |
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| 研究実績の概要 |
本年度は，微小電場重畳型変位電流評価法（AC-DCM）用装置の選定と測定系の構築を行った．測定系にはファンクションジェネレータ（FG），オシロスコープ（OS），電流電圧（IV）アンプが必要となる．AC-DCMでは交流電圧（Va）と三角波電圧（Vt）とを重畳して印加する必要があるため，まずはその両方を出力することが可能なFG（WF1974，nF）と，電流応答を高分解能で記録するために十分なレコード長（1Mポイント）を有するOS（DPO2014B，Tektronix）を導入した．
本研究ではAC-DCMを電気化学発光セル（LEC）に適用し，Vtでイオンの応答，Vaで電荷の応答を検知することを想定している．そのためVtの周波数に対して100倍程度高い周波数のVaを用いることとし，その応答電流の測定の可否を重視して下記の通りI/Vアンプの選定を行った．
I/Vアンプの候補としてnF社のCA5350を選定し，実験を行った結果，広い周波数範囲で予想通りの応答が見られた．また応答電流は周波数に比例するため，Vaの振幅は10 mVと，Vt（数~十数V）に比べて非常に小さな振幅で十分な感度が得られることがわかった．これはVtによる素子への印加電圧に対しほぼ影響を与えないことを示唆しており，AC-DCMは予想以上に電圧分解能が高い実験が可能であることがわかった．
またLECの作製については次年度開始する予定であったが，計画を前倒しし，明治大学理工学部の野口裕研究室を訪問して，LECの作製方法をご指導いただいた．また典型的なLECの素子構造についてもご教示いただき，まずは発光性ポリマーとしてSuper Yellow，イオン液体としてP66614-TFSAを利用したLECについてAC-DCMを適用することとした．
以上，本年度はAC-DCMの測定系の構築とLEC作製方法の習得，及び素子構造の決定を行った．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本年度はAC-DCMの測定系を構築したのち原理検証を行い，さらに時間的な余裕があれば定量的な解析手法を確立し，従来の測定法であるDCMを評価手法として発展させる計画であった．そのためにはまずAC-DCM構築のための適切な装置を選定する必要があり，選定用の測定条件の検討から始めた．
研究実績の概要に記載の通り，I/Vアンプを用いることで期待した通りの測定系を構築することができた．一方で，当初の計画ではLock-inアンプを用いた高感度測定システムとI/Vアンプを用いた高時間分解能測定システムの二種類を構築する予定であったので，Lock-inアンプとI/Vアンプの選定に取り掛かった．Lock-inアンプの候補として，高速応答（最小時定数：10 μs）であるnF社のLI5640を選び，デモ機を借用して実験を行った．その結果遅い時定数を用いることで計画通りの高感度な測定が実現できたが，時定数を早くするとノイズがかなり大きくなってしまうことが明らかになった．AC-DCMでは三角波電圧スキャン時のインピーダンス成分を瞬時に計測しなければならないため，LI5640では広い周波数範囲における高感度なAC-DCMは実現できないことがわかった．
またI/Vアンプを用いた測定システムの検討においても，当初はSRS社製のSR570を念頭に検討を開始したが，周波数帯域が狭く所望の交流応答成分が検知できなかったため，最終的にはCA5350（nF社製）を選定したという経緯がある．このようにアンプの検証に予想以上に時間がかかったため，AC-DCM測定系の構築はできたものの，DCMの発展はもとより，AC-DCMの十分な原理検証を行うことができなかった．一部計画（LEC構造の決定と作成方法の習得）を前倒しも行ったが，AC-DCMの原理検証が不十分であるため現在までの進捗状況に関する区分を「やや遅れている」とした．
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| 今後の研究の推進方策 |
適切な装置の導入によりAC-DCMの測定系を構築することができたので，まずはAC-DCMの原理検証に取り組む．理想コンデンサを準備したので，これに対してAC-DCMを適用する．装置選定の際にも使用した「三角波電圧と，その周波数より100倍高い周波数の交流電圧を重畳した電圧波形」を理想コンデンサに対して印加する．原理検証の際には，三角波電圧の応答電流の強度と，交流電圧の位相の二点に着目する．その理由は以下の通りである．三角波電圧に対する応答電流はサンプルの静電容量と電圧勾配（V/s）の積であるので，応答電流を電圧勾配で規格化することで静電容量を得ることができる．そこでまず得られた静電容量が理想コンデンサの容量と合致しているかどうかを調べる．またコンデンサに交流電圧を印加すると，原理上応答電流の位相は電圧に対して90度進む．AC-DCMにおいてこれが成立しているかを確認する．静電容量の一致と位相差をもって，AC-DCMの原理検証を行う．
次にLECを作製する．明治大学理工学部の野口裕准教授からご教示いただいた，発光性ポリマーであるSuper Yellow，イオン液体であるP66614-TFSAからなる素子を作製する．AC-DCMでは素子の実効的な静電容量を測定するため，サンプルの膜厚を評価する必要がある．これには千葉大学内のエリプソメーターを利用する予定である．またLECにAC-DCMを適用した際の応答波形は非常に複雑になると考えられるので，膜厚や発光性ポリマーのドープ濃度が異なる素子などもあわせて作製する．
最後に作成したLECにAC-DCMを適用する．応答波形の理解に時間を要することが予想できるため，AC-DCMだけではなくDCMや交流電圧のみの印加（つまりインピーダンス分光測定）も実施し，また様々な構造を有するLECにAC-DCMを適用することで，効率的に波形の解析を進める．
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