새로운 지역 제작 과학 대학원에서 특별히 임명 된 연구원 Yamashita Yu, 도쿄 대학교 대학원, 대학원 대학원 대학원 (Supramolecular Group, Nanoarchitectonics Research Center, Materials and Materials 및 Materials), New Areation School of New Areation School, New Areation School of New Areation School, New Areation School of New Areation School, New Areation School of New Creation Science, New Creational Science, New Creational Scipen 도쿄 (고급 산업 과학 기술 연구소)AIST/University of Tokyo Advanced Fireand 측정 기술 오픈 혁신 연구소특별 부교수 인 Takeya Junichi, 방문 연구원, MANA 최고 연구원 (일본 국제 나노 아키 텍스 닉스 리서치 센터)의 마나 최고 연구원 (Cross-Appointment), 일본 대학 (JST Sakigake 연구원)의 새로운 지역 창조 과학 대학원에서 특별히 임명 된 Watanabe Shunichiro (JST Sakigake Researcher), Visiting Opencation Forniet Invanced Researcher의 대학원 교수 인 Watanabe Shunichiro University of Advanced Industrial Science and Technology와 University of Tokyo)의 실험실은 ION 교환이 반도체 플라스틱 (중합체 반도체)으로 가능하다는 것을 밝혀 냈습니다 ION Exchange는 오랫동안 수 정제, 단백질 분리 및 정제 및 산업 폐수 처리에 널리 적용되어 왔으며, 일상 생활에서 없어서는 안될 화학 현상입니다 (그림 1A) 이 연구는이 매우 보편적이고 화학 공학 단위 조작을 사용하여 반도체 플라스틱의 전자 상태를 제어하는 혁신적인 원리를 공개했습니다 (그림 1B) 또한,이 지침 원리를 사용하여, 우리는 반도체 플라스틱의 전자 상태를 정확하게 제어하고 금속 특성을 나타내는 플라스틱을 달성 할 수있었습니다
이 연구 결과는 2019 년 8 월 28 일 날짜였으며 영국 과학 저널 "자연"
이 연구는 일본 과학 기술 기관 (JST) 전략적 창조 연구 촉진 프로젝트 (Sakigake) 연구 분야 "Superspace Control and Innovative Function Creation"(Research General : Kuroda Kazuyuki)의 일부로 수행되었습니다 "Molecular Implantation을 통한 Shunichiro, Watanabe Shunichiro, Special organsport, Special organsport를 통한 수퍼 분자 전기학 제작"(연구 일반 : Kuroda Kazuyuki) 연구 주제 도쿄 대학교 새로운 지역 창조 과학 학교)
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그림 1 (a) 일반 바카라 양방 교환 원리 여기에는 불순물 음바카라 양방이 있습니다 (클로라이드 바카라 양방 : CL-)를 함유 한 물에서 순수한 물을 정화하는 예가 표시됩니다 음바카라 양방 교환 수지에 염화물 바카라 양방을 함유하는 물에 침투함으로써, 클로라이드 바카라 양방은 음바카라 양방 교환 수지 자체에 함유 된 수산화물 바카라 양방이다 (OH-)에서 수행됩니다
(b)이 연구에서 발견 된 중합체 반도체에서 바카라 양방 교환 도핑의 원리 중합체 반도체에 사전에 소개 된 도펀트 음바카라 양방 (그림의 F4TCNQ)•-바카라 양방 성 액체 등의 다른 음바카라 양방으로 표시됩니다 (그림에서 빨간색의 TFSI-제공됩니다 실제로, 음바카라 양방 교환은 중합체 반도체의 나노 미터 크기의 작은 간격으로 발생한다 적절한 음바카라 양방을 선택함으로써 음바카라 양방 전환 효율에 거의 100%까지 도달 할 수 있습니다 |
<배경>
10391_10592전도성 폴리머(참고 3)은 다양한 전극 재료이며기능 코팅 제(주 4) 반도체 실리콘을위한 도펀트는 인 및 붕소와 같은 요소를 사용하지만 도핑 반도체 플라스틱,산화 및 산화 환원(주 5)가 사용 된 분자가 사용되었습니다 반도체 플라스틱은 도펀트 분자와 전자를 교환합니다 (산화 감소 반응(참고 5))를 수행함으로써, 전자의 수는 극적으로 변경 될 수있어 전도성 중합체를 초래할 수있다 그러나, 강한 산화 감소 능력을 갖는 도펀트 분자는 대기의 물과 산소와 반응하여 도펀트로서의 기능을 쉽게 잃어 버린다 이 산화-빨간 반응의 제약을 극복하는 것은 지난 반세기 동안 도펀트 재료의 발달에서도 달성되지 않았으며, 대량의 전자를 안정적으로 교환하는 방법을 실현하는 것이 바람직했습니다
"반도체 플라스틱과 도펀트 분자 사이의 산화 환원 반응이 완전히 다른 현상에 의해 제어 될 수 있습니까?" 이 질문에 따라, 연구 그룹은 이전에 두 분자, 즉 반도체 플라스틱과 도펀트 분자로 수행 된 도핑 방법을 철저히 재검토했다 상기 언급 된 이질성 시스템에 새로운 바카라 양방을 추가 한 결과, 이분자 시스템으로 탈출 할 수없는 제약이 제거되었으며, 우리는 이전보다 압도적으로 더 높은 전도성을 갖는 전도성 중합체를 성공적으로 개발했습니다 이 다 분자 시스템에서, 바카라 양방화 된 도펀트 분자는 새로 첨가 된 바카라 양방과 즉시 교환한다는 것이 실험적으로 확인되었으며 놀랍게도 적절한 바카라 양방을 선택함으로써 바카라 양방 전환 효율이 거의 100%임을 발견했다
〈방법 및 결과>
(1) Ion Exchange를 사용한 초고 효율 도핑
ION Exchange를 사용하여 새로운 도핑 기술을 검증하기 위해, 우리는 폴리 [2,5-bis (3- 테트라 데 체실 티오 펜 -2- 일) Thieno [3,2-B11595_11946•-)는 반도체 플라스틱 박막에 통합되며 구멍은 PBTTT 박막 (PBTTT•+) 이번에는이 f4tcnq•-나는 PBTTT 고체 박막에서 다른 음바카라 양방을 위해 도펀트를 교환하는 바카라 양방 교환 도핑 방법을 개발했다 바카라 양방 교환 도핑의 경우, F4TCNQ는 도핑 용액으로서 바카라 양방 성 액체 1- 에틸 -3- 메틸 리 미다 졸륨 비스 (Trifluoromethylsulfonyl) Imide (EMIM-TFSI)에 용해된다 다양한 분광 측정에 따르면 바카라 양방 교환 후 PBTTT 솔리드 박막이 F4TCNQ•-도펀트가없고 거의 100% 전환 효율을 갖는 바카라 양방 성 액체의 TFSI-그것이 바카라 양방으로 변환 된 것으로 밝혀졌다 이러한 고효율을 갖는 반도체 고체에서 바카라 양방 교환을 달성하기위한 전례는 없었다
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| 그림 2 (a) 음바카라 양방 교환 도핑 모델 도펀트 용액으로서 F4TCNQ 및 바카라 양방 성 액체의 혼합 용액을 사용함으로써, PBTTT에 혼입 된 F4TCNQ 음바카라 양방은 현장에서 바카라 양방 성 액체의 음바카라 양방 y-(b) 광학 흡수 측정 및 (c) PBTTT 박막의 푸리에 변환 적외선 분광법의 결과에 기초하여, F4TCNQ 음바카라 양방은 바카라 양방 교환 도핑 후 PBTTT 박막에 존재하지 않습니다-로 변환 된 것으로 밝혀졌습니다 |
(2) ION Exchange 도핑에 의한 전자 상태 제어 (그림 2)
이 연구에서 제안 된 ION Exchange 도핑은 전환 효율이 높을뿐만 아니라 도핑의 양이 ION 교환을 구동력으로 사용하여 증가한다는 것이 밝혀졌습니다 자발적 바카라 양방 교환의 메커니즘을 조사하기 위해, 우리는 다양한 바카라 양방 성 액체 및 염 (양바카라 양방 및 음바카라 양방으로 구성된 화합물)을 사용하여 바카라 양방 교환 효율을 확인했습니다 결과는 바카라 양방 교환 도핑이 진행되어 음바카라 양방의 열 확산보다는 반도체 플라스틱 및 도펀트의 자유 에너지가 최소화되도록한다는 것을 보여 주었다 다시 말해, 반도체 플라스틱과 호환되는 첨가제 바카라 양방이 사용될 때, 도핑은 많은 반도체 플라스틱 접착 바카라 양방 쌍을 생성하여 진행됩니다 이 연구에서 우리는 고급 분광 측정 및 이론적 계산을 결합하여 최적의 쌍 모델 (그림 3)을 보여 주었고 결과적으로 이전 모델의 도핑 양의 3 배 이상을 달성했습니다 이 값은 반도체 플라스틱에서 도핑량의 이론적 한계에 접근합니다
이러한 도핑량이 많은 반도체는 금속과 같은 전기 저항의 온도 의존성을 나타낸다는 것이 밝혀졌습니다 종래의 전기 전도성 중합체의 전자는 무작위로 얽힌 중합체 사슬에 의해 강하게 결합된다 결과적으로, 전자는 특정 확률로 다음 체인으로 점프합니다호핑 전도"(주 6)은 지배적 인 것으로 간주되었다이 연구는 또한 바카라 양방 교환을 통해 도입 된 도펀트 및 중합체 사슬의 정기적 인 배열이 전자 체인으로부터의 결합을 남기고 파도와 같이 행동하는 전자로 이어진다는 것을 보여 주었다 이것은 전자 상태가 아니라 전자 상태가 아니라는 말이 될 수 있다고 말할 수있다
화학적으로 안정쉘 음바카라 양방을 닫습니다(주 7)로 대체함으로써 도핑 된 PBTTT 박막의 열 내구성을 상당히 개선 할 수 있음이 밝혀졌다 기존의 도핑 방법에서, 10 분 동안 160 ℃의 온도에서의 열처리는 열처리 전에 01% 미만으로 전도도를 감소시키는 반면, 폐쇄 쉘 음바카라 양방과의 교환은 전도도를 크게 감소시키지 않았다
위에서 언급했듯이, 바카라 양방 교환 도핑 방법은 바카라 양방 상호 작용을 사용한 산화 감소 반응의 제약을 완전히 제거 할 수있을뿐만 아니라 현재까지 달성되지 않은 매우 높은 도핑량과 열 안정성을 결합한 혁신적인 방법 일뿐입니다
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| 그림 3 적절한 바카라 양방 종의 선택 요약 밀도 기능 계산에서, 우리는 높은 바카라 양방 교환 효율로 최고의 바카라 양방 쌍을 선택할 수있었습니다 높은 전환 효율을 얻기 위해, 양전하 반경을 국소화 할 가능성이있는 작은 바카라 양방 반경을 갖는 한 쌍의 양바카라 양방과 음바카라 양방 반경을 가진 음바카라 양방을 공급할 수있는 바카라 양방 종이 선호되는 것으로 밝혀졌다 |
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| 그림 4 금속성 특성을 나타내는 플라스틱의 개요 기존의 전도성 중합체는 비 결정질 구조를 가지기 때문에 전자는 국소화 된 수준에서 분리되며 열 에너지를 사용하여 호핑 전도를 받는다 한편,이 연구에서, 중합체 반도체의 갭에 바카라 양방을 배열함으로써, 전자는 주기적 결정 전위 하에서 파도처럼 행동한다 이것은 공동 금속에서 볼 수있는 전자 상태입니다 |
<Future Outlook>
오늘날 연구 그룹에서 발견 한 방법은 실온 근처의 솔루션 프로세스로, 영역을 늘리기 쉬우 며 반도체 플라스틱의 도핑 양, 결정 성, 열 내구성 및 전도 특성을 크게 향상시킵니다 다양한 바카라 양방 성 화합물의 선택은 향후 전도 및 물리 화학적 특성의 추가 제어를 가능하게 할 것이다 전자 제품의 기초 인 전자의 기능은 전자의 높은 통합 및 빠른 응답, 우수한 재료 부피 전환 (예 : 광전 변환)에 의해 지원됩니다 반면에, 바카라 양방은 저전압에서 많은 양의 전하를 주도하고 축적 할 수 있으며, 다른 화학 종과 반응성이 높은 특징을 가질 수 있습니다 전자와 바카라 양방이 모두 전하가 운반되는 배지이므로, 바카라 양방 트론은 적극적으로 연구하고 있으며 두 특성을 모두 사용합니다 예를 들어, 살아있는 유기체에서 전자 및 바카라 양방의 공동 행동으로서, 생화학 적 반응은 다양한 전자 전달로 인해 발생하여 고도로 제어 된 바카라 양방의 움직임 및 축적을 초래합니다 Iontronics 분야에서, 이러한 생물학적 반응을 모방하는 초고속 효율적인 바이오 디바이스에 적용하기위한 연구와 매우 높은 민감도로 생화학 적 반응을 감지 할 수있는 센서에 적용하기위한 연구가 수행되고있다 이 연구에서 실현 된 금속 플라스틱 내의 바카라 양방 교환 반응은 이러한 바카라 양방 트로닉 장치의 실현을 크게 발전시킬 것으로 예상됩니다
Yamashita Yu (Tokyo University / University, New Area Creation Science 대학원, 자재 대학원, 자료 및 재료 국제 국제 국제 센터)
Takeya Junichi (Takeya Junichi (도쿄 대학의 새로운 지역 제작 과학 대학원 / 자재 혁신 연구 센터 (MIRC) / 자재 혁신 연구 센터 (MIRC) / 자재 연구원 (MIRC) / 동시에 방문 연구원, AIST, 고급 피연산자 측정 혁신 실험실, 국제 NanoCancationallentincentlent Worthing, 국제 NanoChiteTeTentlentincentlent Worlyning Open Innovation Laboratory, 국제 NanoChiteTeTelynternternternternternternternternternternternternternternternternternically Open Innovation Laboratory, 국제 NanoChiteTeToniclent Worlinding Open Innovation Laboratory의 자료 교수 (WPI-MANA), 국제 나노 아키 텍스 닉 (Nanoarchitectonics) 국제 센터 (크로스-아 포인트)
Watanabe Shunichiro (Tokyo University, New Area Creation Science 대학원, 자재 대학원 대학원, JST Sakigake 연구원 / 동시 부교수, 고급 오페란트 측정 기술 개방형 개발 실험실, Tokyo 대학교)
잡지 이름 : "자연"(8 월 28 일자 온라인 버전)
종이 제목 : 음바카라 양방 교환에 의해 구동되는 중합체 반도체의 효율적인 분자 도핑
저자 : Yu Yamashita, Junto Tsurumi, Masahiro Ohno, Ryo Fujimoto, Shohei Kumagai, Tadanori Kurosawa, Toshihiro Okamoto, Jun Takeya 및 Shun Watanabe
doi 번호 : 101038/s41586-019-1504-9
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