高分子ナノコンポジット材料の電気的特性発現機構の解明

本研究ではまず、高分子絶縁材料中の電荷移動特性を評価すべく、高分子結晶領域および、アモルファス領域における電荷移動度を量子化学計算、分子動力学計算、KMCシミュレーション(および、高分子鎖の統計的な性質)をあわせることで、経験的なパラメータを用いること無く評価する方法を提案した。ポリエチレン(PE)材料に関して、結晶、非晶領域における電荷移動度を評価した結果、PE のアモルファス領域における正孔移動度がPEの結晶領域におけるそれと比べて5 桁程度小さくなる原因は主に、PE鎖の持続長が短いため電荷局在化領域が短くなり、電荷と分子鎖の構造変化の相互作用が大きくなること、構造の乱れによる電荷局在状態のエネルギーのバラツキによってエネルギー的に不利なホッピングがマクロな移動度を支配することなどによることを明らかにした。なお、高分子材料の非晶領域における電荷移動度を評価するにあたって計算量の異なる複数のモデル化方法を提案しており、それぞれのモデル化方法によって得られた電荷輸送特性が良好に一致することも確認している。さらに、高分子ナノコンポジット材料の特性予測に関しては、広義のコンポジット材料として分子(ハロゲン)を添加した系に関して分子添加による移動度の増加要因が電荷局在領域間の相互作用が分子の添加によって大きくなるためであると明らかにしている。これは、これまでのモデルでは定性的にも予測できなかったことで、交付申請書に示した目的である「高分子ナノコンポジット材料の特異な電気特性の発現要因を明らかにする」にかなうものである。もちろん、今後は異なる種類の添加物についても同様の検討を進める必要がある。

本研究ではまず、高分子絶縁材料中の電荷移動特性を評価すべく、高分子結晶領域および、アモルファス領域における電荷移動度を量子化学計算、分子動力学計算、KMCシミュレーション(および、高分子鎖の統計的な性質)をあわせることで、経験的なパラメータを用いること無く評価する方法を提案した。ポリエチレン(PE)材料に関して、結晶、非晶領域における電荷移動度を評価した結果、PE のアモルファス領域における正孔移動度がPEの結晶領域におけるそれと比べて5 桁程度小さくなる原因は主に、PE鎖の持続長が短いため電荷局在化領域が短くなり、電荷と分子鎖の構造変化の相互作用が大きくなること、構造の乱れによる電荷局在状態のエネルギーのバラツキによってエネルギー的に不利なホッピングがマクロな移動度を支配することなどによることを明らかにした。なお、高分子材料の非晶領域における電荷移動度を評価するにあたって計算量の異なる複数のモデル化方法を提案しており、それぞれのモデル化方法によって得られた電荷輸送特性が良好に一致することも確認している。さらに、高分子ナノコンポジット材料の特性予測に関しては、広義のコンポジット材料として分子(ハロゲン)を添加した系に関して分子添加による移動度の増加要因が電荷局在領域間の相互作用が分子の添加によって大きくなるためであると明らかにしている。これは、これまでのモデルでは定性的にも予測できなかったことで、交付申請書に示した目的である「高分子ナノコンポジット材料の特異な電気特性の発現要因を明らかにする」にかなうものである。もちろん、今後は異なる種類の添加物についても同様の検討を進める必要がある。