石井・田中研究室は、学生・スタッフが集まり2007年4月から本格的な活動を始めた研究室です。 有機ELディスプレイなどで注目されている有機エレクトロニクスについて, その基礎となる電子構造(電子がどのような準位に,どのように詰まっているか,並んでいるか,といった情報)を電子分光などを用いて解明するとともに, 素子そのものの電気特性も調べ, 分光と素子研究の両面から, 有機エレクトロニクスの性能向上のための研究を進めています。物理,化学,電子工学,無機材料,有機材料など幅広い分野に関わりながら,「世界でここにしかない!!」独自の測定法・測定装置を開発して, オリジナルな研究を進めています。

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光電子分光を用いた電子構造の研究

有機エレクトロニクスの動作原理を解明するには,分子中にどのように電子が詰まっているかを解明する必要があります。私達の研究室では,独自の実験装置を開発しながら,有機半導体の中の電子を光電子分光で計測しています。物質に紫外光などの高いエネルギーの光をあてると,光電効果により電子を取り出すことができます。この飛び出た光電子の速度分布を測定すると,もといた分子中での電子の分布を知ることができます。これまでに,1)「有機分子層と電極層の界面でどのように電子準位が並ぶのか?」といった基礎的な課題の探索,2)「有機分子もシリコンのようにバンド分散を生じるのか?」を調べたり,3)有機EL材料の薄膜表面に存在する僅かな負イオンを観測して,LUMOに入った電子を調べたり,4)太陽電子などのデバイス構造の電子準位の並びを決定したり,5)従来の光電子分光では計測できなかった微弱なトラップ準位を高感度光電子分光法を開発して観測可能にするなど,オリジナリティの高い研究を進めています。

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光電子収量分光を用いた電子構造の研究

上記のように,光電子分光は強力な測定手法ですが,幾つか課題もあります。一つには,測定環境が高真空に限られることです。実際の有機エレクトロニクス素子は大気成分の影響を受けて動いているので,真空中のきれいな状態だけを測るのは片手落ちです。また, 絶縁性の高い試料は測定ができないという問題もあります。 光電子収量分光(PYS)は, 光電子の速度分布は測らずに,光電子の総量を入射光のエネルギーの関数として測定し,光電子放出が始まるエネルギーからイオン化エネルギーを決定します。速度分布が不要なので,大気中でも測定できますし, 適切に電子を引き出すように電位を加えれば絶縁性試料でも測定ができます。私達はこの手法を使って,1)真空中と大気中での有機半導体のイオン化エネルギーの違いを研究したり,2)液体半導体や液中のバイオ分子のイオン化エネルギーを計測したり,3)動作状態の有機トランジスタ中の負イオンのイオン化エネルギーを計測したり,4)有機EL材料薄膜の表面に微量存在する負イオンのイオン化エネルギーを計測して,LUMOに入った電子を観察したり,5)絶縁性高分子のバンドギャップ中の微弱準位を計測して,摩擦帯電減少の謎を探るなどの研究を進めています。 PYS.png

ケルビンプローブ法を用いた有機薄膜の表面電位や仕事関数の研究

さらに,光電子分光の研究を補う方法として,ケルビンプローブを用いた研究も進めています。この方法は,試料の仕事関数を計測する手法として古くから用いられているものです。この方法では,試料と参照電極を向かい合わせて一定の電圧を印加します。その際に,極板間距離を振動させると流れる交流信号が仕事関数差に比例することを利用しています。私達は,この手法を使って, 有機EL素子でおきる自発分極により発生する巨大な表面電位計測に利用しています。また,この手法を液体に適用して,液体中での仕事関数測定や,液体中での電位プロファイルの計測に利用できることを見出したりしています。また,電極を回転させて測定する回転型KP装置も開発し, 試料の成膜と仕事関数測定を同時に行うなどのユニークな研究も進めています。 KP.png

変位電流法による有機エレクトロニクス素子の研究

 我々の研究室では、特に、素子中のキャリアの挙動を探る手法である変位電流評価法の開発を進めてきました。この手法を用いると、キャリアの注入特性、キャリアの空間分布、トラップ特性、素子中の分極特性、などなど、素子を理解する上で重要な情報が得られることがわかってきました。具体的には、有機トランジスターの動作機構、ドーピング特性、また、有機電界発光(EL)素子の界面特性、キャリアの挙動と素子劣化の関連などに着目して研究を進めています。

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自己組織化エレクトレット型振動発電素子に関する研究

 センサーや低消費電力デバイスへ電力を供給するために,私たちの身の周りに存在する振動から電気エネルギーを得ることができるエレクトレット型の振動発電器(VEG)が注目を集めています.しかしながらエレクトレットの作製は難しく,VEGの製造コストを増加させる原因の一つでした.そこで私たちは自発的に配向する極性分子をエレクトレットとして利用した,安価で高性能なVEGの実現に取り組んでいます.  代表的な有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子用の材料であるAlq3をエレクトレットとして用いて,荷電処理を一切必要としないVEGを実現しました.本研究は『極性をもつ有機EL材料が自己組織化型のエレクトレット(SAE)として機能する』ことを実証したものでもあります.したがって今後は有機EL材料をセンサやマイク,フィルタ等へと展開し,革新的なエレクトレットデバイスの創出につなげていきます. SAE-VEG.png


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添付ファイル: fileSAE-VEG.png 2件 [詳細] fileKP.png 2件 [詳細] filePYS.png 3件 [詳細] fileUPS.png 4件 [詳細] filegeneral.png 3件 [詳細] fileGeneral.png 2件 [詳細] filefig1.png 478件 [詳細] filedcm.jpg 1134件 [詳細] filePYS.jpg 1064件 [詳細]

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Last-modified: 2021-02-09 (火) 19:27:35 (21d)