時間分解静電気力顕微鏡によるネットワーク型デバイスの電荷追跡

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これまで時間分解静電気力顕微鏡を用いて、導電性高分子薄膜内の電荷分布の可視化に関する研究を進めてきた。研究課題である「時間分解性電気力顕微鏡によるネットワーク型デバイスの電化追跡」を遂行するにあたり、外部電極から注入された電荷の真の動きを追跡するためには、外部電界の効果を排除する必要があることが明らかになった。そこで、観測のタイムスケールよりも速い交流変調により外部電場の影響を除去し、真の電荷成分を画像化する新しい方法を考案した。従来法である電圧変調ポンププローブ法におけるポンプパルス(試料に印加する電圧パルス)を高周波で変調し、プローブパルスで平均化して検出することで、電界の正味の効果をキャンセルする方法を提案した。また実際に、ポンププローブ時間分解静電気力測定をベースとし、プローブパルス印加時に試料に印加する電界を高周波で揺さぶることで、電位の影響をキャンセルし、PEDOT/PSS薄膜内を移動する電荷の空間分布のみをマイクロ秒、サブマイクロメートルの時間・空間分解能で、静電気力として検出することに成功した。この交流変調法により得られた静電気力像は、微細な電荷分布を反映し、導電性高分子であるPEDOT/PSS薄膜では、膜構造の不均一性によって電荷移動に不均一性が存在することがわかった。これらの結果は、以前報告した自己ドープ型ポリアニリンを用いた時間分解静電気力顕微鏡測定の際のホッピングモデルを用いた数値計算で再現でき、電荷の分布とその時間変化が画像化されたことを示した。導電性高分子の伝導メカニズムの本質に迫る新しい測定手法を開発した。これを用いた研究と先行研究の結果により、今まで平均化して議論されてきた、複雑な電荷移動を、時間分解EFM測定を用いて、画像として捉えることができたということを示した。