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2013 年度 実施状況報告書

低電圧駆動有機トランジスタの素子動作・劣化機構のミクロ解明と特性向上

研究課題

研究課題/領域番号 24560004
研究機関筑波大学

研究代表者

丸本 一弘  筑波大学, 数理物質系, 准教授 (50293668)

キーワード有機トランジスタ / 電子スピン共鳴 / ミクロ特性評価 / 素子動作機構 / 素子劣化機構 / イオンゲル / 低電圧駆動 / 高電荷密度状態
研究概要

本研究では電子スピン共鳴(ESR)法を、イオンゲルを用いた低電圧駆動有機トランジスタに適用し、素子動作中のESR観測によるミクロ特性評価を進めながら、特に、これまでESR法により研究されてこなかった、高電荷密度状態での素子動作機構と素子劣化機構の解明を微視的な観点で行う。
本年度は、イオンゲルを用いた高分子及び低分子薄膜トランジスタを作製し、ESR研究を進めた。高移動度を示す立体規則性ポリヘキシルチオフェン(RR-P3HT)とペンタセンを用いた。比較のため、立体不規則性P3HT(RRa-P3HT)、電界発光性高分子材料、半導体単層カーボンナノチューブ、単層グラフェンも用いた。電場誘起ESR観測を行い、蓄積電荷キャリアの電子状態を研究した。
有機材料では、RR-P3HTにおける素子駆動時の電荷キャリアの電子状態(スピン状態やキャリア間相互作用)を駆動電圧の関数として詳細に明らかにした。更に、ESR信号の温度依存性を4 Kから室温まで測定し、電荷キャリア間の磁気的相互作用に由来するキュリーワイス温度を評価した。ペンタセン、RRa-P3HT、電界発光性高分子ポリフルオレン系材料を用いた電界効果デバイスでも同様な研究を進めた。
カーボン系材料では、半導体単層カーボンナノチューブの表面欠陥スピンのESR信号を観測し、そのスピンの磁気的相互作用や運動性を明らかにした。電場誘起ESR測定により両極性の欠陥スピンの消失を観測した。また、蓄積電荷キャリア由来のESR信号は観測出来ず、1次元電子系の朝永・ラッティンジャー液体形成がその原因と解析した。単層グラフェンの場合、欠陥スピンとパウリ常磁性を示す電荷キャリアのスピンのESR信号を観測した。
以上の研究成果については、学会や研究会等の招待講演等で報告すると共に、Jpn. J. Appl. Phys.等の学術論文に掲載された。

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

本年度は、これまでの結果と比較して普遍性や相違性を調べるため、様々な材料を用いてESR測定が可能なイオンゲル駆動の有機トランジスタやカーボン系材料トランジスタを作製し、低電圧駆動トランジスタにおける電荷キャリアの伝導機構を解明することを計画し、達成できた。以下に、達成出来た点の要点を簡潔に述べる。
ESR測定が可能なイオンゲル駆動の有機トランジスタと半導体単層ナノチューブトランジスタの作製を行った。トランジスタ特性を半導体デバイスアナライザにより精密に評価し、半導体材料のp型n型の極性を調べ、電荷蓄積状態を確認し、デバイス特性を評価した。更に、ESR信号の温度依存性測定から、電荷キャリアの伝導機構に関する知見を得ることが出来た。
RR-P3HTデバイスの電場誘起ESR信号のスピン磁化率の温度依存性測定より、低電荷密度ではキュリー則が観測され、電荷キャリア間に磁気的相互作用がなく、電荷キャリアは孤立して伝導していることが分かった。一方、高電荷密度ではキュリーワイス則が観測され、電荷キャリア間に磁気的相互作用が生じ、互いに相互作用しながら電荷キャリアが伝導していることが分かった。
ペンタセン、RRa-P3HT、電界発光性高分子ポリフルオレン系材料、半導体単層カーボンナノチューブに関してはキュリー則が観測され、電荷キャリアやスピン間には磁気的相互作用がないことが分かり、孤立して伝導していることが分かった。一方、単層グラフェンのESR信号のスピン磁化率の温度依存性測定より、欠陥由来と思われるキュリー成分の他に、パウリ常磁性成分も観測され、バンド伝導が実現していることを微視的な観点で立証できた。
以上の研究成果については、学会や研究会等の招待講演等や、Jpn. J. Appl. Phys.等の学術論文で報告することが出来た。

今後の研究の推進方策

平成26年度は、平成25年度の研究を発展させると共に、実績があるイオンゲルを用いた高分子薄膜と低分子薄膜のトランジスタを用いて、以下のESR研究を進める。
低電圧駆動有機トランジスタでの電荷キャリアの本質的な伝導機構を微視的な観点で解明する。電場誘起ESR信号の温度依存性を調べる。電荷キャリアの運動状態が変化すると、ESR線幅の運動による尖鋭化(Motional narrowing)が変化し、ESR信号が変化する。このESR信号の温度依存性を解析し、FET特性結果と合わせて伝導機構を解明する。また、運動による尖鋭化が抑制される低温では、電荷キャリアが局所的に感じている核スピン由来の双極子磁場による本来のESR線幅が観測される。この線幅を解析することにより、電荷キャリアの空間広がり(波動関数)を解明する。更に、薄膜状態の差がどのように磁気相互作用に影響を与えるか、電荷密度の関数としてその効果を検討する。
また、長時間の素子駆動による素子安定性の評価と素子劣化機構の解明を微視的な観点により行う。長時間の高ゲート電圧印加時の実験で、有機材料のイオン液体への溶解や分解・劣化に起因すると思われるESR信号の変化を検出している。この研究を更に進め、素子の劣化機構を分子レベルで明らかにする。以上の研究をマクロな素子特性とも対応させ、高電荷密度状態での素子動作機構と素子劣化機構の解明を微視的な観点で行う。
以上の研究について、連携研究者の早稲田大竹延グループ、東京大岩佐グループと共同研究を行い、良質なトランジスタ作製を進める。カーボンナノチューブについては首都大柳グループから、グラフェンについては九州大吾郷グループから提供を受ける。

次年度の研究費の使用計画

年度内に納品予定であった基板洗浄用の備品(真空計と流量計)が、納期の関係で間に合わなかったため、次年度に購入することに変更した。
基板洗浄用の備品(真空計と流量計)を購入して、基板洗浄の効果を高め、高特性の素子作製を行う。

  • 研究成果

    (46件)

すべて 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 9件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (33件) (うち招待講演 12件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Correlation between Hole Accumulation and Deterioration of Device Performance in Polymer Solar Cells as Investigated by Light-Induced Electron Spin Resonance2014

    • 著者名/発表者名
      K. Marumoto and T. Nagamori
    • 雑誌名

      Molecular Crystals and Liquid Crystals

      巻: 597 ページ: 29-32

    • DOI

      10.1080/15421406.2014.931780

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Study on n-type Doped Electron-Transporting Layers in OLEDs by Electron Spin Resonance2014

    • 著者名/発表者名
      D. Son, Y. Shimoi and K. Marumoto
    • 雑誌名

      Molecular Crystals and Liquid Crystals

      巻: 599 ページ: 153-156

    • DOI

      10.1080/15421406.2014.935978

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Microscopic Analysis of Organic Solar Cells by Simultaneous Measurements of ESR and Device Performance2014

    • 著者名/発表者名
      K. Marumoto, T. Yamanari and M. Yabusaki
    • 雑誌名

      2013 MRS Fall Meeting proceedings

      巻: In press ページ: In press

    • DOI

      In press

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct Observation of Hole Accumulation in Polymer Solar Cells during Device Operation using Light-Induced Electron Spin Resonance2013

    • 著者名/発表者名
      T. Nagamori and K. Marumoto
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: 25 ページ: 2362-2367

    • DOI

      10.1002/adma.201204015

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Bulk Recombination in Organic Bulk Heterojunction Solar Cells under Continuous and Pulsed Light Irradiation2013

    • 著者名/発表者名
      K. Seki, K. Marumoto and M. Tachiya
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 6 ページ: 051603-1-4

    • DOI

      10.7567/APEX.6.051603

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Microscopic Characterization of Printable Low Voltage Electrolyte Gated Transistors by Electron Spin Resonance2013

    • 著者名/発表者名
      K. Marumoto, M. Tsuji, Y. Yomogida, T. Takenobu and Y. Iwasa
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 52 ページ: 05DC05-1-4

    • DOI

      10.7567/JJAP.52.05DC05

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct observation of charge carriers in highly magnesium-doped tris(8-hydroxyquinoline) aluminum thin film by ESR2013

    • 著者名/発表者名
      D. Son, Y. Shimoi, T. Kizuka and K. Marumoto
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 52 ページ: 05DB07-1-4

    • DOI

      10.7567/JJAP.52.05DB07

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Charge Accumulation in Organic Solar Cells during Device Operation as Investigated by Electron Spin Resonance2013

    • 著者名/発表者名
      T. Nagamori and K. Marumoto
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 52 ページ: 05DC13-1-4

    • DOI

      10.7567/JJAP.52.05DC13

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-Speed Coating Method for Photovoltaic Textiles with Closed-Type Die-Coater2013

    • 著者名/発表者名
      T. Imai, N. Shibayama, S. Takamatsu, K. Shiraishi, K. Marumoto and T. Itoh
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 52 ページ: 060201-1-4

    • DOI

      10.7567/JJAP.52.060201

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Light-Induced ESR Observes Polymer Solar Cells2013

    • 著者名/発表者名
      K. Marumoto
    • 雑誌名

      Asia Electronic Industry

      巻: 18 ページ: 41-45

  • [学会発表] 有機太陽電池の素子作製時における電荷形成のESR観測と素子性能との相関2014

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘、藤森琢也、伊東壮哲
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学、平塚
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] 高分子太陽電池中のPCBMアニオン形成の熱アニール増強:ESRによる直接観測2014

    • 著者名/発表者名
      劉棟、永森達矢、安田剛、韓礼元、丸本一弘
    • 学会等名
      2014年 第61回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      青山学院大学、相模原
    • 年月日
      20140317-20140320
  • [学会発表] 有機半導体デバイスの電荷状態のESR直接観測と素子性能との相関の解明2014

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘
    • 学会等名
      日本学術振興会 情報科学用有機材料第142委員会 ABC合同研究会
    • 発表場所
      PORTA神楽坂、東京
    • 年月日
      20140312-20140312
    • 招待講演
  • [学会発表] Development of New Analytical Methods for Microscopic Characterization of Organic Devices with Electron Spin Resonance2014

    • 著者名/発表者名
      K. Marumoto
    • 学会等名
      DAE-BRNS Conference on Organic Devices: The Future Ahead (ODeFA-2014)
    • 発表場所
      Mumbai, India
    • 年月日
      20140303-20140306
    • 招待講演
  • [学会発表] ESR法を用いた有機半導体素子中の電荷の直接観測~ESRスペクトルの解析から得られる構造情報について~2014

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘
    • 学会等名
      住友化学講演会
    • 発表場所
      住友化学株式会社、つくば
    • 年月日
      20140120-20140120
    • 招待講演
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池の積層界面の電荷蓄積・形成の直接観測と素子性能劣化機構の解明2013

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘
    • 学会等名
      金沢大学RSET 有機薄膜太陽電池部門 第4回企画公開セミナー、「有機太陽電池の実用化へむけた界面化学技術の応用」
    • 発表場所
      金沢大学、金沢
    • 年月日
      20131226-20131226
    • 招待講演
  • [学会発表] 次世代有機PV用薄膜の創成とナノスケール評価2013

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘
    • 学会等名
      「つくば連携研究」合同研究会
    • 発表場所
      筑波大学、つくば
    • 年月日
      20131224-20131224
    • 招待講演
  • [学会発表] ESR法を用いた有機太陽電池のミクロ解析2013

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘
    • 学会等名
      高分子学会 13-2NMR研究会「常磁性の磁気共鳴」
    • 発表場所
      東京海洋大学、東京
    • 年月日
      20131213-20131213
    • 招待講演
  • [学会発表] 高分子太陽電池の電荷蓄積の直接観測と性能劣化機構の解明2013

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘
    • 学会等名
      高分子学会 13-2有機エレクトロニクス研究会、「有機薄膜太陽電池の研究最前線」
    • 発表場所
      東工大蔵前会館ロイアルブルーホール、東京
    • 年月日
      20131213-20131213
    • 招待講演
  • [学会発表] Direct Observation of Hole Accumulation in Polymer Solar Cells During Device Operation using Light-Induced Electron Spin Resonance2013

    • 著者名/発表者名
      K. Marumoto
    • 学会等名
      2013 EMN (Energy Materials Nanotechnology) Fall Meeting
    • 発表場所
      Orlando, Florida, USA
    • 年月日
      20131207-20131210
    • 招待講演
  • [学会発表] Microscopic Analyses of Organic Solar Cells by Simultaneous Measurements of ESR and Device Performance2013

    • 著者名/発表者名
      K. Marumoto, T. Yamanari and M. Yabusaki
    • 学会等名
      2013 MRS (Materials Research Society) Fall Meeting
    • 発表場所
      Boston, Massachusetts, USA
    • 年月日
      20131201-20131206
  • [学会発表] ESRを用いた有機エレクトロニクス材料と素子のミクロ解析2013

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘
    • 学会等名
      高分子学会関東支部第49回茨城地区活動講演会「有機エレクトロニクスの最新動向」
    • 発表場所
      住友化学株式会社、つくば
    • 年月日
      20131127-20131127
    • 招待講演
  • [学会発表] 光誘起電子スピン共鳴を用いた有機薄膜太陽電池の電荷キャリアトラップ機構の解明2013

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘、永森達矢、八武崎正樹
    • 学会等名
      第52回電子スピンサイエンス学会年会
    • 発表場所
      大宮ソニックシティ、大宮
    • 年月日
      20131024-20131026
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池の電荷蓄積のESR観測と性能劣化機構の解明2013

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘
    • 学会等名
      有機系太陽電池に関する筑波大・TIMS―東京理科大・太陽光発電研究部門ワークショップ
    • 発表場所
      筑波大学、つくば
    • 年月日
      20131019-20131019
    • 招待講演
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池における電荷蓄積の光誘起ESR観測2013

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘、永森達矢
    • 学会等名
      日本物理学会2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島大学、徳島
    • 年月日
      20130925-20130928
  • [学会発表] ESR法を用いた有機半導体デバイスのミクロ解析2013

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘
    • 学会等名
      2013年 第74回応用物理学会秋季学術講演会、分科企画シンポジウム「有機半導体材料・デバイスの解析に役立つ分光技術」
    • 発表場所
      同志社大学、京田辺
    • 年月日
      20130916-20130920
    • 招待講演
  • [学会発表] 電子輸送層におけるn型ドーピング効果のESR研究2013

    • 著者名/発表者名
      孫東鉉、下位幸弘、丸本一弘
    • 学会等名
      2013年 第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学、京田辺
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [学会発表] フルオレン系青色発光高分子材料の電場誘起ESR研究2013

    • 著者名/発表者名
      伊藤泰亮、孫東鉉、松尾圭浩、櫻井勇希、下位幸弘、丸本一弘
    • 学会等名
      2013年 第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学、京田辺
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [学会発表] ESR法を用いたBathocuproine/金属界面における界面準位の研究2013

    • 著者名/発表者名
      松尾圭浩、孫東鉉、下位幸弘、丸本一弘
    • 学会等名
      2013年 第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学、京田辺
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [学会発表] イオンゲルを用いた RR-P3HT 薄膜トランジスタにおける蓄積電荷状態のESR研究2013

    • 著者名/発表者名
      櫻井勇希、松本大佑、竹延大志、岩佐義宏、丸本一弘
    • 学会等名
      2013年 第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学、京田辺
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [学会発表] 高分子太陽電池における界面電荷キャリアトラップの光誘起ESR研究2013

    • 著者名/発表者名
      八武崎正樹、劉棟、山成敏広、吉田郵司、丸本一弘
    • 学会等名
      2013年 第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学、京田辺
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [学会発表] Electron spin resonance study on accumulated charge states in ion gel-gated RR-P3HT thin film transistors2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Sakurai, D. Matsumoto, T. Takenobu, Y. Iwasa and K. Marumoto
    • 学会等名
      International Workshop on Science and Patents 2013 (IWP2013)
    • 発表場所
      University of Tsukuba, Tsukuba, Japan
    • 年月日
      20130906-20130906
  • [学会発表] Light-induced electron spin resonance study on charge formation and accumulation states at interfaces in polymer-based organic solar cells2013

    • 著者名/発表者名
      M. Yabusaki, D. Liu, T. Yamanari, Y. Yoshida and K. Marumoto
    • 学会等名
      International Workshop on Science and Patents 2013 (IWP2013)
    • 発表場所
      University of Tsukuba, Tsukuba, Japan
    • 年月日
      20130906-20130906
  • [学会発表] Effect of n-type doping on electron-transporting material Alq3 as investigated by electron spin resonance2013

    • 著者名/発表者名
      D. Son, Y. Shimoi and K. Marumoto
    • 学会等名
      International Workshop on Science and Patents 2013 (IWP2013)
    • 発表場所
      University of Tsukuba, Tsukuba, Japan
    • 年月日
      20130906-20130906
  • [学会発表] Field-induced ESR study of fluorene-based blue light-emitting polymer materials2013

    • 著者名/発表者名
      T. Ito, D. Son, Y. Matsuo, Y. Sakurai, Y. Shimoi and K. Marumoto
    • 学会等名
      International Workshop on Science and Patents 2013 (IWP2013)
    • 発表場所
      University of Tsukuba, Tsukuba, Japan
    • 年月日
      20130906-20130906
  • [学会発表] Study on n-type-doped electron-transporting layers in OLEDs by electron spin resonance2013

    • 著者名/発表者名
      D. Son, Y. Shimoi and K. Marumoto
    • 学会等名
      KJF International Conference 2013 on Organic Materials for Electronics and Photonics (KJF 2013)
    • 発表場所
      Busan, Korea
    • 年月日
      20130828-20130831
  • [学会発表] Direct Observation of Charge Accumulation in Polymer Solar Cells During Device Operation using Light-Induced Electron Spin Resonance2013

    • 著者名/発表者名
      K. Marumoto and T. Nagamori
    • 学会等名
      KJF International Conference 2013 on Organic Materials for Electronics and Photonics (KJF 2013)
    • 発表場所
      Busan, Korea
    • 年月日
      20130828-20130831
  • [学会発表] Creation and Nanoscale Evaluation of Single Crystals and Thin Films for Next-Generation Organic PV and FET -Nanoscale Evaluation of Organic PV and FET by Electron Spin Resonance-2013

    • 著者名/発表者名
      K. Marumoto
    • 学会等名
      2013 Tsukuba Nanotechnology Symposium (TNS’ 13)
    • 発表場所
      AIST, Tsukuba, Japan
    • 年月日
      20130726-20130727
  • [学会発表] Electron Spin Resonance Study on n-type doped Electron-Transporting Material Alq32013

    • 著者名/発表者名
      D. Son, Y. Shimoi and K. Marumoto
    • 学会等名
      2013 Tsukuba Nanotechnology Symposium (TNS’ 13)
    • 発表場所
      AIST, Tsukuba, Japan
    • 年月日
      20130726-20130727
  • [学会発表] ESRと素子性能の同時計測による有機太陽電池のミクロ解析2013

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘
    • 学会等名
      CREST有機太陽電池シンポジウム
    • 発表場所
      京都大学、宇治
    • 年月日
      20130712-20130712
    • 招待講演
  • [学会発表] バルクヘテロ接合型有機薄膜太陽電池の再結合と開放端電圧に対する電荷トラップの効果2013

    • 著者名/発表者名
      関和彦、丸本一弘、立矢正典
    • 学会等名
      第2回有機系太陽電池つくば地区研究会
    • 発表場所
      筑波大学、つくば
    • 年月日
      20130621-20130621
  • [学会発表] 高分子太陽電池の電子バッファー層の熱アニール処理効果のESR研究2013

    • 著者名/発表者名
      劉棟、永森達矢、丸本一弘
    • 学会等名
      第2回有機系太陽電池つくば地区研究会
    • 発表場所
      筑波大学、つくば
    • 年月日
      20130621-20130621
  • [学会発表] 高分子太陽電池の界面における電荷形成・蓄積状態の光誘起ESR研究2013

    • 著者名/発表者名
      八武崎正樹、劉棟、丸本一弘
    • 学会等名
      第2回有機系太陽電池つくば地区研究会
    • 発表場所
      筑波大学、つくば
    • 年月日
      20130621-20130621
  • [図書] ウェットプロセスによる薄膜形成法と微細パターン化技術2014

    • 著者名/発表者名
      丸本一弘
    • 総ページ数
      In press
    • 出版者
      技術情報協会
  • [備考] 丸本研究室ホームページ

    • URL

      http://www.ims.tsukuba.ac.jp/~marumoto_lab/index.html

  • [備考] 筑波大学 プレ戦略イニシアティブ

    • URL

      http://www.tsukuba-greeninovn.org/lab/marumoto.html

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公開日: 2015-05-28  

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