| 研究課題/領域番号 |
18H03922
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
中西 尚志 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, グループリーダー (40391221)
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| 研究分担者 |
山室 修 東京大学, 物性研究所, 教授 (20200777)
吉田 学 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究チーム長 (60358330)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 液体 / π共役分子 / エレクトレット / 発光 / 中性子散乱 / アモルファス |
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| 研究実績の概要 |
圧力センサ、加圧発電機構を組み込んだ医療機器や、良質スピーカーなどへ応用可能な発振アクチュエーターなどの基盤材料となるエレクトレット材料は、これまで固体やフィルム材料から成り、フレキシブル・ストレッチャブルエレクトロニクス応用に必要とされる流動特性や優れた変形能は思考されてこなかった。研究代表・中西が取り組む機能性液体材料では、複数の分岐アルキル鎖で電荷保持力を有するπ共役分子ユニットを隔離・孤立化した、アルキル化π液体分子がその主役を担っている。本研究課題では、このアルキル化π液体分子を基材とし、コロナ帯電後に液体エレクトレットとして応用する。π共役系分子ユニットには、多電子の保持力や電荷保持/非保持のスイッチングが可能な部位を想定し、新たに液体分子の合成に取り組む。また、アモルファス液体内に潜むナノ組織構造の解析、熱物性の解析を行い、新規アルキル化液体分子群の液体物質としての特徴を理解する。さらには、これら液体分子を誘電体とさせ、様々なフレキシブル・ストレッチャブルエレクトロニクスデバイスへ応用する。特には、圧電機能、圧力センサ、発振アクチュエータなどに応用可能な液体エレクトレット素子の開発に注力する。
2018年度は、液体ポルフィリンの創成、分子運動緩和過程の評価、ナノ組織構造の解明、固体電極間に配置後に、エレクトレット性能評価を主に取組、一定の成果を得た。また、液体挙動を深く理解する中で、過冷却現象の制御やπ共役色素の隔離状況の検討を分光学的に取り組むなどした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
最初に液体エレクトレットとしての性能評価を行った液体ポルフィリンが、当初の目標どおりに圧電効果、発振アクチュエーター用の基材としてポテンシャルがあることが分かった。本液体エレクトレットとしての達成は世界初の例となる。現在、予備的にストレッチャブル素子への適応性も評価を始めているが、圧電性能は改良の余地はあるものの、期待するアウトプットを示すことも分かった。
材料の基礎物性、構造物性に関する評価も順調に進んでいる。中性子準弾性散乱測定では未だ捕捉が必要な時間領域があるものの、分子並進運動とアルキル鎖の運動性が独立していることが分かってきた。
その他、分子の対称性と速度論的に安定な液体分子として保持できるかの相関性も見出された。言い換えると、如何にして過冷却液体状態となる分子構造を避けるかの指針を得ることができた。
さらに、液体材料の高機能化、特にはスイッチング機能の付与を行うモデル分子として、ダブルデッカー型ルテチウムフタロシアニン液体を創成し、酸化還元に伴うスピン状態のオン／オフと同時に吸収特性の可逆変化を達成した。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究課題の取組の中で、液体エレクトレット材料として適性の高い分子系を探索する事は極めて重要となる。特に、電荷保持量、安定性に優れた分子系の探索は急務である。対象として考えられるのは、例えば、フラーレンやフタロシアニンなど、有機半導体性の分子がある。これら分子群の液体化を戦略的に取り組む。
また、電荷をコロナ帯電以外の方法で発生させ、分子内に保持できるかトライアルの価値はある。例えば、光励起によるキャリアを発生させ、閉じた分子またはナノクラスタ空間内に安定に保持できれば、エレクトレットとしての応用の可能性が期待できる。
液体分子の基礎物性解析の部分では、中性子準弾性散乱測定で足りない時間領域を捕捉するのが急務となる。また、構造解析に関しては、アルキル化π分子の最も単純化された分子モデルとして、アルキル化パーフルオロベンゼンを対象に、X線や中性子の解析技術により議論を深める。
エレクトレット性能評価に関しては、定量性の議論が現状欠落している。FETデバイスなど他の手法を用いて、間接的にはなるが、電荷保持密度を議論する。また、ストレッチャブルエレクトレットデバイスのデバイス側の改良なども取り組む。
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