電界効果トランジスタ構造を用いた有機低分子熱電材料の探索・開発

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熱電発電技術は世界的なエネルギー不足を解決するため, またIoT技術の電源供給源として広く研究されている. 本研究では結晶構造が明確な有機低分子半導体に, 任意にキャリア濃度制御が可能な電界効果トランジスタ構造を適用することによって, 高効率な熱電発電材料の開発を行い, 有機熱電材料の設計指針を確立させることを目的としている.昨年度は熱伝導率の小さな基板を用いて作成したルブレン単結晶トランジスタに対して, レーザー加熱を用いた熱起電力測定を行い, 熱起電力のキャリア濃度依存性の測定を可能にした. このようなレーザー加熱を用いた熱起電力測定はこれまでにない測定法であり, 高速・正確な測定ができることから, 重要である.本年度は様々な材料・絶縁層を用いたトランジスタに本測定法によって熱起電力のキャリア濃度依存性の測定を試みた. 広い範囲のキャリア濃度において結果を得るためには, ルブレン単結晶のように高い移動度と, ON状態での低い抵抗値が必要であることが分かった. イオン液体を絶縁層に用いたトランジスタは, 電界によってイオンが有機低分子材料内部に入り込んで破壊してしまうため, 測定が困難であった. しかしイオン液体を用いたトランジスタはより広い範囲のキャリア濃度で熱起電力のキャリア濃度依存性を測定するために必須であり, 更なる研究が求められる.ルブレン単結晶トランジスタの熱起電力のキャリア濃度依存性については, 複数のサンプルで低温まで詳細に研究を行った. 室温においてキャリア濃度が増加するにつれて電気伝導度が上昇し, 一方熱起電力は減少するような振る舞いが得られた. 絶縁層界面の1分子層にキャリアが注入されていると仮定すると, 最大で6 microW/(mK^2)の変換効率が得られた. 更なるキャリアドーピングによってより大きな変換効率が実現できると考えられる.