도쿄 국립 연구소 대학 [고마미 마코토 (Gogami Makoto) 대통령] (도쿄 대학교로 언급 됨) (이하 도코 대학교로 언급 됨) 대학원생 Uemura yohei, 물리 공학과 공학 대학원 공학 대학원, 공학 대학원, ARAI TASSUO 교수 HASEGAGA TATSUO (및 교수) HASEGANGAT SCIENCE (AND ANDICANGS) 및 교수 HASEGANCEND Institute 및 공학 대학원 과학 Nakabachi Ryoji] (이하 "AIST"라고 불리는)Flexible Electronics Research Center[연구 센터 이사 Kamata Toshihide] 일반 연구원, 연구 센터의 수석 연구원 인 Tsutsumi Junya 및 연구 센터의 수석 연구원 Horiuchi Sachio로 구성된 공동 연구 그룹Ferroelectric(주 1)자발적 분극(주 2) 정렬되었습니다Ferroelectric Domain(주 3)의 경계를 형성하는 3 차원 도메인 월의 구조CMOS 카메라(주 4)를 사용하여 고속, 넓은 영역 및 비접촉식에서 시각화 할 수있는 새로운 측정 기술을 성공적으로 개발했습니다
Ferroelectrics는 IC 카드 및 다양한 센서 요소와 같은 메모리 장치를 포함하여 광범위한 응용 프로그램에 사용되며, 이는 솔리드 내에서 한 방향으로 정렬되며 방향을 자유롭게 변경할 수 있도록하는 특성이 있습니다 최근 몇 년 동안, 코팅으로 제조 할 수있는 많은 유기 중충 전기가 발견되었으며 매우 우수한 특성이 발견되었으며 실용적으로 사용될 것으로 예상됩니다 이러한 특성을 이해하려면 무료 바카라전 전기에 존재하는 마이크로 도메인 벽의 거동을 명확히해야하지만 전통적으로 재료의 표면으로 제한되는 관찰과 오랜 시간이 걸리는 측정과 같은 다양한 제약이있었습니다 따라서, 우리는 CMOS 카메라를 사용하여 고감도가 높은 강하 전기 재료에 전압이 적용될 때 광 전달의 작은 변화를 시각화하고, 고속, 넓은 면적 및 비 콩팩트에서 재료 내부의 미세한 외관을 포함하여 도메인 벽의 넓은 영역의 구조를 시각화 할 수있는 새로운 방법을 개발했습니다 이것은 수소 결합 유기 강하 전기 박막의 도메인 벽이 예상과 달리 박막 내에서 상당히 기울어 져 있음을 보여주기 위해 추가로 사용되었다
① 연구 배경
강력 전기는 전자 제품과 다양한 센서를 포함합니다에너지 수확적용에 다양한 역할을하는 중요한 기능 자료로 알려져 있습니다 (주 5) 자발적인 분극의 배향으로 인한 메모리 기능을 갖는 것 외에도, 자발적 분극의 크기, 열 및 전기 신호의 전환, 전기 에너지의 축적을 제어함으로써 전기 신호의 전환 및 기계적 작용을 포함하여 광범위한 응용 분야에서 광범위하게 사용할 수있을 것으로 예상된다 최근 몇 년 동안, 무기 재료를 사용하는 무료 바카라전체 외에도, 유기 무료 바카라전성 재료는 부드러운 유기 물질을 사용하여 개발되었으며, 코팅 방법을 사용하여 넓은 영역에 걸쳐 쉽게 장치를 제조 할 수 있습니다 전통적으로 알려진 중합체 기반 무료 바카라전체 외에, 소분자는 수소 결합에 의해 연결된다수소 결합 유기 무료 바카라전 전기(참고 6)는 자발적 분극이 매우 큰 자발적 분극을 갖고 분극 반전에 필요한 작은 전기장 (강제 필드)을 갖는 날카로운 분극 반전 작동을 나타내는 여러 가지 우수한 무료 바카라전성 재료를 발견했으며, 실질적으로 사용될 것으로 예상됩니다
terroelectrics의 편광 반전 작동은 다른 편광 방향의 도메인 사이의 경계 (도메인 벽)가 고체 내에서 움직일 때 발생합니다 (그림 1) 따라서, 무료 바카라전성 특성을 이해하려면 도메인 벽이 무료 바카라전체 내에 존재하는 방식과 이들이 마이크로 모임의 방법을 명확하게해야한다 특히, 수소 결합 유기 무료 바카라 전기 내에서 도메인 벽의 거동은 단단한 재료로 만든 기존의 무기 무료 바카라전 전기로 만든 것과 다를 것이라고 생각되지만, 재료 내부의 마이크로 도메인 벽을 조사하기는 어렵고 지금까지 상황을 명확하게 할 수는 없었습니다 무료 바카라전 도메인을 관찰하는 방법은 스캐닝 프로브 현미경의 한 유형입니다Piezoelectric rackive force microscope(PFM, 주 7) 또는 레이저 라이트 조사두 번째 고조파 생성 (SHG) 메소드(주 8)을 사용하는 방법이 알려져 있습니다 그러나, 재료의 표면에 가까운 2 차원 정보 만 얻을 수 있다는 사실과 같은 제약이 있었고, 측정은 오랜 시간이 걸리며 넓은 영역의 측정은 어렵다 이러한 이유로, 무료 바카라전 도메인 벽의 3D 분포와 동작 동작을 허용하는 고속, 대규모 비접촉 이미징 기술을 개발할 필요가 있었다
② 연구 기록
이 연구 그룹은 수소 결합 유기 무료 바카라전성 재료라는 새로운 개념의 개발을 위해 노력하고 있으며, 코팅을 통해 유연한 전자 장치를 제조하는 인쇄 된 전자 장치를 실현하는 연구의 일부로이 연구의 일부로 이들을 박막 장치로 바꾸는 것으로 연구하고 있습니다
수소 결합 유기 무료 바카라전체에서, 분자를 연결하는 수소 결합의 모든 수소 원자는 고체의 특정 방향으로의 바이어스로 인해 매우 큰 자발적 분극을 갖는다 (도 2) 분극 반전은 이들 수소 원자가 반대 방향으로 동시에 이동할 때 발생하지만, 수소 원자 이외의 원자 위치는 다른 재료 시스템보다 훨씬 낮은 강제 장에서 편광을 역전시킬 수있는 특징을 갖는 것을 제외하고는 수소 원자 이외의 원자 위치가 거의 변하지 않는다 그러나, 박막 장치에 필요한 무료 바카라전 도메인의 메커니즘 및 운동 거동에 대한 이해는 진행되지 않았다
이번에는 거꾸로 대칭이없는 무료 바카라전체는 1 차Electrooptic Effect(주 9) 외부 전기장의 적용으로 인한 광 흡수 속도의 약간의 변화가 전기장의 방향에 따라 부호를 변경 하고이 방법을 사용하여 무료 바카라전 도메인을 시각화하는 새로운 측정 방법을 개발했습니다 전기장의 적용으로 인한 광 흡수의 약간의 변화에 대한 매우 민감한 이미징을위한 방법은 CMOS 카메라를 사용하여 높은 감도를 갖는 유기 트랜지스터의 채널 내에서 이미지 캐리어 분포를 사용하는 것입니다변조 이미징 기술(참고 10) "이 새로운 기술은 무료 바카라전체의 무료 바카라전 전기 도메인 구조의 고속, 대규모 및 비접촉식 시각화를 허용합니다ffmi; 무료 바카라전체 필드 변조 이미징) 방법이라고함으로써 얻어지고 측정 관찰 기술의 고속 및 높은 감도를 촉진하여 수소 결합 유기 무료 바카라전 전기에 적용하고, 실제 도메인 벽 구조를 관찰하고, 측정 방법을 사용하여 측정 결과를 비교하고
또한, 일부 연구 개발은 기본 연구 A (16H02301), 기본 연구 A (16H05976) 및 JST 전략적 크리에이티브 리서치 프로모션 프로젝트 크레스트 (JPMJCR18J2)를위한 JSPS Grant-In-Aid의 지원을 받아 수행되었습니다
③ 연구 컨텐츠
이 연구에서, 수소 결합 유기 무료 바카라전 전기 유형 인 HDPPZ-HCA가 사용되었다 (도 2) 이 물질은 결정 내에 두 개의 다른 분자를 가지고 있습니다 (DPPZ 및 H2ca)는 수소 결합에 의해 교대로 연결되고, 실온에서 자발 분극의 방향은 분자들 사이의 양성자의 움직임으로 인해 전환된다 단결정 박사는 용액 공정을 사용하여 수행되었다
박막의 평면 방향으로 전압이 적용되는 동안, 광을 박막 표면에 조사하고, 광 투과율의 변화를 측정하고, 적용된 전기장의 방향에 따라 투과율의 증가 또는 감소가 전환되었다는 것이 밝혀졌다 또한, 전기장이 한 방향으로 적용될 때, 박막 내의 한 영역의 투과율은 증가하는 반면, 다른 영역의 투과율은 감소 하였다 상기 관찰은 자발적인 분극의 방향을 갖는 박막에 무료 바카라전 도메인이 있으며, 적용된 전기장과 이러한 분극의 방향 사이의 상관 관계로 인해 광 투과율 (또는 흡수 속도)이 증가하거나 감소한다는 것을 나타낸다 박막 표면에 투과 광 강도의 이러한 변화의 상태를 매핑함으로써, 자발적 분극의 방향을 갖는 무료 바카라전 도메인을 시각화 할 수있다
따라서 전기장의 적용으로 인한 특정 파장에서의 광 투과율의 변화로 인한 광학 이미지의 약간의 변화가 CMOS 카메라의 차등 이미지로 추출되었습니다 (그림 3) 여기서, 우리는 CMOS 카메라의 각 픽셀에 대해 높은 감도로 흡수 속도의 변화를 감지하는 방법을 사용하여 수백만 개의 픽셀 수가있는 픽셀 수가 있습니다 따라서 FFMI는 1cm212278_12581의 약 3 분 (PFM보다 약 10 배 더 빠른)의 짧은 시간에 측정 할 수 있습니다 이 FFMI 방법을 사용하여 HDPPZ-HCA 박막의 무료 바카라전 도메인의 관찰 결과는도 3B에 도시되어있다 적색 및 청색 영역은 각각 분극 방향으로 다른 도메인을 나타내며, 일반적으로 사용되는 PFM 측정 결과와 잘 일치하는 것으로 확인되었다 (도 3C) 또한, 전기장의 적용으로 인한 실제 전송 변화는 작기 때문에 (약 001%), 실제 고 민감한 차동 이미지를 획득 할 때 우선 전기 신호 교란 (노이즈)의 효과를 줄이기 위해 약 30,000 개의 미분 이미지를 획득하고 이미지 처리를 수행했습니다
FFMI 방법은 비교적 큰 영역에 걸쳐 짧은 시간 내에 박막 내에 분포 된 무료 바카라전 도메인의 측정을 허용하기 때문에 무료 바카라전 도메인의 운동을 관찰하는 데 적합합니다 그림 4는 자발적인 분극의 역전 동안 도메인 구조 변화가 FFMI 방법을 사용하여 어떻게 관찰되었는지를 보여줍니다 높은 수준의 자발적 분극을 갖는 전기장의 적용은 도메인이 시간이 지남에 따라 어떻게 변형되는지 상세하게 시각화 할 수있게 해주었다
또한, 도메인 경계를 가로 지르는 FFMI 이미지의 신호 강도 변화를 자세히 조사 할 때, 우리는 신호 강도가 빠르게 변하는 도메인 경계와 신호 강도가 천천히 변하는 도메인 경계가 있음을 발견했다 (도메인 벽 A 및 그림 5a) 따라서 결과를 PFM 방법과 비교할 때 PFM 이미지에서 분극 방향이 임의의 도메인 경계에서 극적으로 변한다는 것을 발견했습니다 이것은 서로 다른 배향의 도메인이 박막의 두께 방향과 관련하여 공존하기 때문에 생각됩니다 다시 말해, 도메인 벽이 박막 표면의 평면에 수직 방향으로 크게 기울어지기 때문에 FFMI 이미지에서 볼 수있는 신호 강도의 부드러운 변화가 볼 수 있음이 밝혀졌습니다 신호가 변하는 영역의 폭과 박막의 필름 두께 사이의 관계에 대한 상세한 조사 후, 도메인 벽이 기질 표면과 약 10 ° ~ 12 ° 기울어 졌다는 것을 발견했습니다 한편, 신호가 빠르게 변하는 영역에서 도메인 월은 보드 표면에 수직 인 것으로 생각된다
첫 번째 원리 계산을 사용한 최근 분석에 따르면 자발적 분극의 방향은AB평면에 수직 인 방향, 즉 기판 표면과 약 11 °의 경사로 예상됩니다 따라서, 박막의 결정 방향은 X- 선 회절에 의해 결정되었고, 이들 두 도메인 벽과 결정 축 사이의 상관 관계가 확인되었다 결과적으로, 박막 표면에서 볼 때 자발적 분극의 방향과 평행 한 도메인 벽뿐만 아니라 자발적 분극에 수직 인 것으로 보이는 도메인 벽 B는 실제로 자발적 분극의 방향에 평행하고 전기적으로 중성 도메인 벽임을 크게 기울어진다는 것이 밝혀졌다 (도 5B) 다시 말해, HDPPZ-HCA 박막에서 관찰 된 두 도메인 벽은 자발적인 분극의 방향과 평행 한 중성 도메인 벽이라고 결론 지었다 특히, 도메인 월 B는 박막 내에 넓은 면적과 큰 인터페이스 에너지를 갖는 것으로 생각되지만, 연질 유기 무료 바카라전 전기에서 정전기 에너지의 효과가 우수하고 더 안정적이라고 추정된다 따라서, 필름 두께 방향의 정보를 갖는 FFMI 방법을 사용함으로써, 기존의 방법을 사용하여 관찰하기 어려운 3 차원 도메인 구조의 세부 사항이 밝혀졌다
우리는 광학 스펙트럼을 기반으로하지 않는 간단한 측정 방법으로서 FFMI 방법의 이점을 활용하고이를 사용하여 많은 유기 무료 바카라 전기의 도메인 벽의 동작을 조사 할 계획입니다 이는 무료 바카라전 도메인의 형성 및 운동 메커니즘에 대한 이해를 크게 향상시키고 유기 무료 바카라 전기의 발달 및 장치의 적용을 가속화 할 것이다 또한, CMOS 카메라를 사용한 변조 이미징 기술은 다양한 물리적 특성 측정 및 기타 미세 영상을 위해 개발 될 것으로 예상됩니다
잡지 이름 :물리 검토 적용(온라인 버전 : 일본 1 월 24 일)
논문 제목 :분자 단일 결정 필름에서 무료 바카라전 도메인의 필드 변조 영상
저자 :Yohei Uemura*, Shunto Arai, Jun'ya Tsutsumi, Satoshi Matsuoka, Hiroyuki Yamada, Reiji Kumai, Sachio Horiuchi, Akihito Sawa, Tatsuo Hasegawa†
doi 번호 : 101103/physRevapplied11014046
추상 URL :https : //journalsapsapsorg/praplied/abstract/101103/physrevapplied11014046