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マイクロ波でより簡便に、正確に有機半導体の電気伝導度を測定!

RESEARCHER
マイクロ波分光法(TRMC)法の測定装置。

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マイクロ波を利用した電気伝導度測定法の利点。上:直流電気伝導度測定法。電荷の移動を電流として捉えるオーソドックスな手法だが、原子間力顕微鏡(AFM)の画像から分かるように有機材料は結晶化するとムラが入りやすく、それによるギャップが抵抗となる。下:マイクロ波電気伝導度測定法(TRMC法)は電荷担体の動きを直接捉える。試料の成膜の最適化が不要で、非接触で測定が可能。

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マイクロ波の輸送・検出。左:導波管の中をマイクロ波が進む様子(赤い帯、z軸)。交互に現れる赤と青のブロックは電場の向きの違いを示す(y軸)。右:マイクロ波はサンプルに吸収され、熱に変換される。熱としてエネルギーが散逸しやすいほど、電気伝導度が高いと言える(電気伝導度が上がると、サンプルを含む空洞共振器からのマイクロ波の反射率が高くなる)。

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空洞共振器により高感度の検出を実現。空洞共振器にセットする試料は有機溶媒に溶かすなどの方法で石英板に固定するだけで良い(石英はマイクロ波を吸収しない)。共振器にマイクロ波のエネルギーが溜まることで検出感度が高まる。下のグラフはマイクロ波の反射率を示す。空洞共振器には特定の波長しか入らないため、ある波長における反射率の変化を見ることで電気伝導度を評価できる。

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電気伝導度の導出過程。電気伝導度が高い物質ほど、空洞共振器の共振周波数におけるマイクロ波反射率が上昇(グラフ中のピークが下から上、赤から青へ推移)する。その上がり具合を解析することで電気伝導度Δσを求められる。

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どんなタネ?

有機半導体の電気伝導度を正確に測る技術を開発しています。従来法では、材料の結晶を成長させて電極をとり付ける必要がありますが、有機物は結晶化が難しく、結晶にムラが入ると電気特性を正確に評価できない問題がありました。特に、薄膜の状態で正確な評価を行うことは非常に大変です。マイクロ波電気伝導度測定(TRMC)法は、マイクロ波の電場が誘起する振動によって電子やイオンの動きを捉えます。結晶化のための条件最適化のステップを減らし、材料本来の特性を評価できます。感度の面で課題がありましたが、共振器を使うことでこれを克服し、半導体材料の評価系を確立しました。

なぜ研究を始めた?

元々は液晶系の材料を合成していました。その材料の電気伝導度を測定する際に従来法の課題に直面しました。そこで装置の改良を試みるなど、次第に研究対象が解析技術そのものにシフトしていきました。マイクロ波を用いた電気伝導度の測定は古くから行われてきましたが、共振器を使うことで解析が複雑になるため、解析式の構築がまず必要でした。また、より検出を高感度にするため化学ドープによって試料に電荷を入れる方法なども考案しました。これにより電荷のスピンの状態まで把握できるようになるなど、TRMC法のさらなる拡充を図っています。

なにを変える?

無機半導体に比べると、有機半導体は材料の中でどのように電荷が動いているのか、電荷輸送メカニズムが十分に解明されていません。TRMC法は、結晶化の問題に左右されずに微視的な電荷の挙動を捉えることができます。このようにミクロなスケールで電荷の流れを把握することは、現象のより深い理解につながります。また、同じ材料でも単結晶と薄膜の状態で測定値に差が生じる従来法を補完する手法にもなりえます。この手法を使って、より正確性の高い電子材料の高速スクリーニングを実現し、有機半導体の材料開発を後押ししていきたいです。

なにが必要?

私は、どちらかというと計測にフォーカスしているので、有機・無機を問わず材料系の方から「この物質を測ったら、おもしろいのではないか」という持ち込みは歓迎しています。新しい材料を合成できた時など、電気特性を測りたい時はぜひお声がけください。また「マイクロ波を使って、もっとこんな測定ができないか」という物理学の視点からもディスカッションしていきたいです。解析技術の側面から、マイクロ波のさらなる活用の可能性について考えていければと思います。

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INTERVIEW
桂産直便
マイクロ波でより簡便に、正確に有機半導体の電気伝導度を測定!

2021.12.09

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(元京都大学情報学研究科 准教授)