【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.21】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24NU0248
利用課題名 / Title
導電性高分子および原子層材料を用いた電子・光デバイスの作製と評価
利用した実施機関 / Support Institute
名古屋大学 / Nagoya Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions
キーワード / Keywords
高分子薄膜、熱電変換素子、発光素子,光デバイス/ Optical Device,原子薄膜/ Atomic thin film,電子線リソグラフィ/ EB lithography,エレクトロデバイス/ Electronic device,フォトニクス/ Photonics,光リソグラフィ/ Photolithgraphy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
伊東 裕
所属名 / Affiliation
名古屋大学大学院工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
伊藤 駿⼀郎,⼤井 浩司
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
加藤 剛志
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術相談/Technical Consultation
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
NU-206：電子線露光装置
NU-231：マスクレス露光装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本課題では、導電性高分子または原子層材料に対してイオン液体などの電解質を用いて電荷注入した電子・光デバイスの電荷輸送特性、発光特性評価を行う。本年度は導電性高分子における熱電特性と金属絶縁体転移との関係を明らかにするためのゼーベック係数の温度依存性測定と、遷移金属ダイカルコゲナイドを用いたレーザー素子実現に向けた高密度の電流注入に挑戦した。これらの実験を可能にする電極の微細パターンの形成を、マスクレス露光装置、あるいは電子線露光装置を用いたリソグラフィーにより行った。
実験 / Experimental
導電性高分子について、名古屋大学VBL設置のマスクレス露光装置を用いたフォトリソグラフィーによりFig. 1のような熱電測定用電極パターンを形成し、その上に導電性高分子薄膜を塗布法により製膜した。さらに電解質の薄膜を高分子膜上部に形成し、サイドゲート型の電気化学トランジスタ構造を作製し、ゼーベック係数、電気抵抗、磁気抵抗の温度依存性の同時測定を行った。遷移金属ダイカルコゲナイド発光デバイスについても、フォトリソグラフィにより電極パターンを形成し、その上にTMDC単層膜を転写し、電解質を塗布することで電流励起発光素子を作製し、電解質のガラス転移を用いて酸化還元電位を超える電圧印加を試み、将来の電流励起レーザー発振に向けて高密度の電流注入に挑戦した。
結果と考察 / Results and Discussion
高い結晶性をもつ導電性高分子PBTTTについて、金電極をon-chip型のヒーターとして薄膜に温度差を誘起し、電解質による電気化学ドープ下でのゼーベック係数の温度依存性を低温まで測定した。PBTTTでは弱局在モデルに従う正の磁気伝導効果が観測され、非局在的な伝導機構が示唆されていた[1]が、ゼーベック係数の温度依存性はほぼ温度に比例する挙動を示し、非局在的な電子状態に基づくMottの式に従う振る舞いを観測した(Fig. 2)。但し、わずかに負の切片を示したことから、低温での局在の寄与が明らかになった。以上の結果から、高い結晶性の実現が熱電変換効率の向上に寄与する可能性が示され、今後の有機熱電材料設計において重要な指針となると期待される。
遷移金属ダイカルコゲナイドWSe2について、電解質のガラス転移温度（～180 K）以上の280Kにて電圧を印加して電気二重層によるPN接合を形成したのち、10 Kまで素子を冷却することでイオンの動きを凍結した。10 K では酸化還元反応が抑制され、高電圧印加が可能であると考えた。Fig.3(a) は順方向に電圧を印加した際の280 K と10 K における電流電圧特性を比較したものであり、10 K では20 V の高電圧印加が可能になったことにより806 kA/cm2 と従来のワールドレコードの517 kA/cm2 [2]を超える値を実現した。Fig.3(b), (c) は20 V 印加時の発光画像と発光スペクトルであり、明瞭な励起子由来の発光の観察に成功した。今後は光共振器の導入により、電流励起レーザーの実現に挑戦する。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1. ゼーベック係数測定用のサイドゲート型電気化学トランジスタの模式図(a)とリソグラフィーで作製した電極パターン(b)
Fig. 2. 導電性高分子PBTTTの電気化学ドーピング下のゼーベック係数の温度依存性
Fig. 3. 280Kと10Kにおける電流電圧特性(a)，20 V 印加時の発光画像(b)と発光スペクトル(c)
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
参考文献[1] H. Ito et al., Commun. Phys. 4, 8 (2021)[2] J. Pu et al., Adv. Mater. 33, 2100601 (2021)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Shun-Ichiro Ito, Systematic investigation of charge transport and thermoelectric properties in semicrystalline polymers: electrochemical doping effects on doping level and temperature dependence using one sample, Applied Physics Express, 18, 021002(2025).
DOI: 10.35848/1882-0786/adb23e
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Shun-ichiro Ito, Hisaaki Tanaka, Yugo Oshima, Kaito Kanahashi, Binjie Chen, Hiromichi Ohta, and Taishi Takenobu, ”Charge Transport Properties in Electrochemically-Doped Conducting Polymer PBTTT” ICSM2024 (International Conference on Science and Technology of Synthetic Electronics Materials), Dresden, Germany, 令和6年6月27日
- Shun-ichiro Ito, Hisaaki Tanaka, Yugo Oshima, Kaito Kanahashi, Binjie Chen, Hiromichi Ohta, and Taishi Takenobu, "Thermoelectric Properties in Electrochemically-Doped Conducting Polymer PBTTT” ICT2024 (International Conference on Thermoelectrics), Kurakow, Poland, 令和6年7月4日
- K. Oi, T. Aridome, J. Mori, H. Ou, J. Pu, T. Endo, Y. Miyata, T. Takenobu, “High current density in electric double layer light-emitting devices of WSe2 monolayers” , The 67th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium, Kochi University of Technolory, 令和6年9月1日
- 大井浩司，有留大河，森順哉，欧昊，蒲江，遠藤尚彦，宮田耕充，竹延大志, “単層WSe2電流励起発光素子への高密度電流注入”, 第85回応用物理学会秋季学術講演会, 令和6年9月19日
- 大井浩司，有留大河，森順哉，欧昊，蒲江，遠藤尚彦，宮田耕充，竹延大志, “固体イオン液体を用いた高電流密度発光素子の開発”, レーザー学会第591回研究会 「有機コヒーレントフォトニクス」, 令和6年11月30日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件