| 研究課題/領域番号 |
24760017
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| 研究機関 | 山形大学 |
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研究代表者 |
坂上 知 山形大学, 理工学研究科, 助教 (60615681)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2014-03-31
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| キーワード | 電気化学発光セル / 有機半導体 / イオン液体 / 有機レーザー |
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| 研究概要 |
電流励起有機レーザー構築のための基盤デバイスとして、Light-emitting electrochemical cell (LEC) の可能性を検討した。はじめに LEC による電流励起レーザーを検討する妥当性を確認するため、LEC 発光層からの光励起による自然放射増幅光 (ASE) の観測を試みた。一般的な高分子電解質を用いた LEC の発光層からは ASE は観察されなかったが、長鎖アルキル基を有するホスホニウム系のイオン液体を電解質とすることで、発光層の平坦性・均一性を改善した結果、光励起による ASE の観測に成功した。
電流励起のためのデバイス構造を検討をし、光損失を最小限にできる構造として横型の LEC を採用してデバイス作製を行った。電極間距離１０ミクロンの金電極を作製後、発光性ポリマーとイオン液体の混合溶液からスピンコートすることによって素子を作製した。電圧印加とともに直線上の発光が電極間に観察された。発光の開始電圧は 2.5 V であり、発光性ポリマーの HOMO-LUMO ギャップにほぼ等しかったことから、極めて効率的なキャリア注入とキャリア輸送を実現できていることを示している。電流密度は 6 V で 32 A/cm2 と高く、一般的な有機 EL よりも一桁高い電流密度が低電圧で実現することが出来た。さらに多くの電流密度を実現するために、デバイスのパルス駆動を検討した。LEC ではイオンの動きが遅いため応答速度が遅く、パルス駆動は行われた例は無かったが、本研究では、ベース電圧によってイオンの再配列を行いながら高電圧パルスを印加する新しい駆動方法を導入することで、1 ミリ秒でのパルス駆動を行うことに成功した。電流密度は 20 V で 1000 A/cm2 に到達し、LEC としてはこれまでにない高電流密度の注入に成功した。
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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
本研究では電流注入型有機レーザーの実現を目指している。これまで LEC を基盤デバイスとして検討した例は無かったが、光励起による ASE の観測、および電流励起による 1000 A/cm2 を超える光電流密度の注入は、電流励起型有機レーザーの実現を充分に期待できるという結果を示すことができた。当初の懸念であったイオン液体の狭い電位窓から来る高電圧におけるデバイスの劣化の問題は、パルス駆動をすることによって充分に抑制できることが判明し、差し当たっての問題は無いと考えられる。以上のことから、電流注入型有機レーザー実現という目標に対しては、当初の計画以上のことを実現できたといえる。
一方で、想定以上の良好なデバイスが作製できてしまったために、大電流の注入という当初2年目に計画していた研究が先に来てしまった。このために、当初1年目で行う予定であったデバイスの構成材料の詳細な最適化という面においてはまだ検討の余地がある。まず、LEC に特化したイオン液体の開発ができていない。これまでは市販のイオン液体をベースにしてデバイスの作製を行なってきたが、イオン液体の濃度を上げた場合には、発光性ポリマーとの間での相分離と考えられる構造が観察されてしまっている。また、発光性ポリマーについても多くの種類が検討できていない。現状では、有機ELにおいて一般的な発光性ポリマーを用いているが、イオン伝導と電子伝導の両方に優れた材料の検討などは未だ実施できておらず、今後の検討課題である。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成25年度は、平成24年度に実施できなかったデバイスの構成材料の最適化を検討する。イオン液体については、市販のものを検討するだけでなく、新たな材料の検討を行う。これについては、本研究に興味を持って頂いている企業の協力を仰ぎ、新たな設計指針に基づいたイオン液体を提案して合成をお願いしている。また、さらなる大電流密度の注入のためには、イオン液体を凍結させて LEC の応答性と安定性を向上させる Frozen-junction 法の検討が重要となってくる。このため、イオン液体の融点が -20 ℃～室温程度にあり、比較的容易に凍結できるようなイオン液体の開発も行なっていく。発光性ポリマーにおいては、イオン伝導と電子伝導の両立できるような分子の検討を開始する。
また、電流励起レーザーの実現には高電流密度領域での高い発光効率の実現が必要である。このため、高電流密度パルス駆動時の発光効率を定量的に求めてレーザー実現への可能性を探る。高い発光効率が実現されていた場合には、LEC の活性層に共振器構造を導入することによって世界初の電流励起有機レーザーの実現を目指す。共振器構造の導入には、電子線リソグラフィーを用いてシリコンに微細加工を施し、LEC の活性層にナノインプリントリソグラフィーをすることによって作製することを検討している。一方、高電流密度領域において、発光効率に減少が見られた場合には、その原因を顕微分光あるいはインピーダンス分光などによって理解し、高効率を実現できるデバイスの作製・駆動方法を検討する。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
真空中、顕微鏡下で冷却をしながらデバイスを観察する実験系を構築する必要があり、このための予算に80万円を計画している。消耗品では発光性ポリマー、アルカリフリーガラス基板およびシリコン基板を購入する。発光性ポリマーは特に高価であり（10～20万円／グラム）、消耗品として30万円ほど購入する必要がある。シリコン基板は20万円、アルカリフリーガラス基板は10万円を必要としている。また代表者が成果発表のため、国内の学会に参加する費用として10万円、論文別刷り代として10万円を積算した。
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