農工大ら,有機自発配向分極薄膜の極性と電位制御

東京農業大学と九州大学は,巨大なGSP(表面電位)の大きさだけでなく,その極性をも任意に制御された有機自発配向分極薄膜の作製に成功した(ニュースリリース)。

有機EL素子など,有機アモルファス薄膜中での分子はほぼ無配向だと考えられていたが,近年,ある種の有機半導体分子が,アモルファス薄膜中でも分子配向を示すこと,さらにPDM(分子の永久双極子モーメント)が膜厚方向に対して“自発的”に配向(自発配向分極)することで,100nm程度の膜厚で数ボルトに達するGSPが発生することが報告されている。

しかし,自発配向分極形成のメカニズムは未解明な部分が多く,GSPの大きさを制御する分子設計は提案されていない。また,報告の多くは“正”のGSPを示し,“負”のGSPを示す有機半導体分子は稀だが,GSPの極性は有機EL素子などの駆動電圧に直接的に影響するため,意図的な制御が求められている。

GSPを示す有機半導体薄膜は,振動発電デバイス用のエレクトレットとしても利用できると報告されており,有機アモルファス薄膜における自発配向分極のメカニズムの理解とともに,GSPの大きさと極性の制御が重要な課題となっている。

有機アモルファス薄膜においてGSPを発生させるには,成膜過程で分子のPDMを同一方向に配向させることが重要だが,一般的には分子間の双極子‐双極子相互作用により,隣接分子とは反平行のPDM配向がエネルギー的に安定であり,全体的な分極は打ち消されてしまう。そのため,意図的に分子を同一方向に配向させる分子設計・手法が必要だった。

今回研究グループは,①分子内PDMの配向,②薄膜表面における分子の運動エネルギー,③分子の表面自由エネルギーを制御することで,GSPの大きさだけでなく,その極性をも任意に制御された有機自発配向分極薄膜の作製に成功した。

開発した有機分子を用いた有機自発配向分極膜は,100nmの膜厚で±10V以上のGSPを示した。これは膜厚1μmの場合,GSPが±100V以上に達することを意味し,実用化されているエレクトレット材料の性能に匹敵または凌駕する値だという。

この成果により,有機EL素子のさらなる低消費電力とともに,振動発電素子の発電効率を高めることができるとが期待される。研究グループは今後,さらなる材料開発を進めるとともに,応用・実用化を目指すとしている。

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