Development of thermoelectric performance by two-dimensional organic polymer and novel evaluation technology

エレクトロニクス分野では、フレキシブルな材料として有機半導体が注目されており、その熱伝導率評価は製品の熱マネージメントにおける必須項目である。有機半導体材料の多くは、膜厚100 nm未満という極薄膜の形で高度に秩序化された構造を有しており、熱伝導率測定においてはこの極めて小さい膜厚と構造異方性を考慮する必要がある。このような材料に対する有力な測定手法として3ω法が知られているが、従来の3ω法では測定に用いる金属細線を試料上に作製する必要があり、このプロセスにおいて目的とする有機試料が損壊する可能性がある。そこで、本研究では熱伝導率の低いクオーツ基板上へ予め細線を用意し、この上に製膜された有機試料について異方的な熱伝導率を計測することを目的とした。初めに、本研究で提案する測定手法の妥当性を検証するため、セルロースナノファイバー（CNF）の配向膜をモデル試料として測定した。その結果、CNF配向膜の面直/面内熱伝導率は既報値及び既存の手法によって計測求められた値と良く一致し、本手法の妥当性が確認された。続いて、実際に本手法を用いて膜厚がナノメートルオーダーの有機極薄膜について熱伝導率測定を行った。特に、ポリスチレンスルホン酸をドープしたポリ3,4-エチレンジオキシチオフェン（PEDOT:PSS, 膜厚70 nm）の薄膜では面内熱伝導率が2.94±0.81 W/mKと従来の測定結果よりも大きな値となった。PEDOT:PSSは膜内での高度な分子配向により高い電気伝導率を示すことが知られており、これが熱伝導率の向上にも寄与している可能性が示唆された。この結果は、本手法によりこれまで明らかにされていなかった有機薄膜の伝熱特性が解明可能であることを示しており、米国物理学協会の発行する学術誌Review of Scientific Instrumentsに掲載された。

エレクトロニクス分野では、フレキシブルな材料として有機半導体が注目されており、その熱伝導率評価は製品の熱マネージメントにおける必須項目である。有機半導体材料の多くは、膜厚100 nm未満という極薄膜の形で高度に秩序化された構造を有しており、熱伝導率測定においてはこの極めて小さい膜厚と構造異方性を考慮する必要がある。このような材料に対する有力な測定手法として3ω法が知られているが、従来の3ω法では測定に用いる金属細線を試料上に作製する必要があり、このプロセスにおいて目的とする有機試料が損壊する可能性がある。そこで、本研究では熱伝導率の低いクオーツ基板上へ予め細線を用意し、この上に製膜された有機試料について異方的な熱伝導率を計測することを目的とした。初めに、本研究で提案する測定手法の妥当性を検証するため、セルロースナノファイバー（CNF）の配向膜をモデル試料として測定した。その結果、CNF配向膜の面直/面内熱伝導率は既報値及び既存の手法によって計測求められた値と良く一致し、本手法の妥当性が確認された。続いて、実際に本手法を用いて膜厚がナノメートルオーダーの有機極薄膜について熱伝導率測定を行った。特に、ポリスチレンスルホン酸をドープしたポリ3,4-エチレンジオキシチオフェン（PEDOT:PSS, 膜厚70 nm）の薄膜では面内熱伝導率が2.94±0.81 W/mKと従来の測定結果よりも大きな値となった。PEDOT:PSSは膜内での高度な分子配向により高い電気伝導率を示すことが知られており、これが熱伝導率の向上にも寄与している可能性が示唆された。この結果は、本手法によりこれまで明らかにされていなかった有機薄膜の伝熱特性が解明可能であることを示しており、米国物理学協会の発行する学術誌Review of Scientific Instrumentsに掲載された。