NAIST 奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 ~光ナノサイエンス~

有機固体素子科学研究室

教員 / 連絡先
教員教授: 中村 雅一
准教授:辨天 宏明
助教: 小島広孝
特任助教:Jung Min-Cherl
キーワード有機エレクトロニクス,有機トランジスタ, THz波センサ,ポリマー太陽電池, 熱電変換,走査型プローブ顕微鏡,局所物性評価, キャリア輸送制御, 熱輸送制御
連絡先TEL:0743-72-6031
研究室URLhttp://mswebs.naist.jp/LABs/greendevice/index.html

丸めて持ち運べる電子機器,体にまとうだけで発電する布,場面に合わせて最適な色の光で発電する紙のような太陽電池など,様々な「表面」に多様なエレクトロニクスの機能を付加してゆくことで,私たちのくらしはより快適で豊かなものになります.物性物理,電子工学,表面科学, 高分子物性, 分子科学などをベースに,有機固体のもつ多彩な相互作用を解明し,有機エレクトロニクスとして応用することでこれらを実現させます.世界唯一の評価装置や理論計算による,独創的な研究アプローチも特徴の一つです.

一人一人の興味と適性に応じて,物質に関わる基礎的な研究から実際に動作するデバイスまで,幅広いテーマ設定を行います.また,国内外の研究機関との共同研究や国際会議での発表などを通じて,研究者としての自主性と一流の研究マインドを養います.科学に関する幅広い知識と産業応用に向けての展望を併せ持ち,企業でも大学でも活躍できる研究者を養成することを目指しています.

生活環境や人体からの排熱を電気エネルギーに変換する環境発電素子として,従来概念を覆す有機熱電材料やフレキシブル熱電変換素子の創出に取り組んでいます.糸状の熱電材料が形成しやすいというカーボンナノチューブの特徴を活かしたまま,チューブ間に特殊なタンパク質による単分子接合を形成することで熱伝導率が1/1000に抑制されるナノ複合材料(図1)や,当研究室で発見された有機低分子材料における巨大ゼーベック効果の機構解明と制御(図2)などについて,先端計測・物性理論・計算化学を総動員して研究を進めています.

試料表面の電位分布をnmスケールの空間分解能で精密測定できる「原子間力顕微鏡ポテンショメトリ」,半導体/絶縁体界面のトラップ準位密度分布などを精密測定できる「電界効果熱刺激電流測定装置」など,世界唯一の様々な評価装置を開発しています.これらと放射光を用いた構造解析などを組み合わせ,有機薄膜における階層的な結晶学的構造やキャリア輸送バンド端の構造の解析やその制御など,有機半導体デバイスの根本的な性能向上を目指した物性的研究を行っています.

次世代のフレキシブル太陽電池として期待されるポリマー太陽電池の研究開発に取り組んでいます.特に,ナノメートルスケールの局所空間領域における光電変換機能を可視化する独自性の高い研究を行っており,それによって太陽電池の動作機構を分子レベルで解明しています(図3).

有機半導体薄膜に再現性よく現れるバンド端ゆらぎポテンシャル(これも当研究室による発見です)を利用したテラヘルツ(THz)波イメージングデバイスの実現に取り組んでいます.THz波センシングの素過程を確認するなど,応用を指向した基礎的研究を行っています(図4).

  • 図1:カーボンナノチューブを無機粒子内包かご状タンパク質で接続した熱/電荷輸送独立制御ナノ構造
  • 図2:巨大ゼーベック効果の概念図-分子性固体に特有の電流-熱流相互作用
  • 図3:プラスチック太陽電池の光電変換機能をナノ空間で“みる”
  • 図4:ローラブルなマトリクス型THz波センサによる手荷物検査のイメージ図
  1. Kojima et al., Giant Seebeck effect in pure fullerene thin films, Appl. Phys. Express 8, 121301 (2015).
  2. Matsubara et al., Quantitative investigation of the effect of gate-dielectric surface treatments on limiting factors of mobility in organic thin-film transistors, J. Appl. Phys. 118, 175502 (2015).
  3. Ito et al., Enhancement of Thermoelectric Properties of Carbon Nanotube Composites by Inserting Biomolecules at Nanotube Junctions, Appl. Phys. Express 7, 065102 (2014).
  4. -G. Li et al., THz-Wave Absorption by Field-Induced Carriers in Pentacene Thin-Film Transistors for THz Imaging Sensors, Org. Electron. 14, 1157 (2013).
  5. Yogev et al., Fermi Level Pinning by Gap States in Organic Semiconductors, Phys. Rev. Lett. 110, 036803 (2013).
  6. -G. Li et al., Oriented Growth of Pentacene Crystals for Improvement of The Characteristics of OTFTs, Org. Electron. 13, 864 (2012).

研究室紹介

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