Лаборатория доктора Марумото, Материалы и разработка органических полупроводников, Университет Цукуба
Доктор Казухиро Марумото
Доцент, доктор технических наук
Отделение материаловедения, факультет чистых и прикладных наук, Университет Цукуба
1968 — год рождения
1992 г. — окончил факультет естественных наук Университета Хоккайдо.
1997 г. — завершил докторскую программу Лаборатории научных исследований Университета Осаки (Ph.D. )
2006 г. — младший профессор, факультет чистых и смежных наук, материаловедение, Университет Цукуба, после работы ассистентом в аспирантуре Университета Нагоя.
2013 г. — также выступает в роли приглашенного исследователя, отдел материалов для фотоэлектрической генерации, Национальный институт материаловедения, приглашенный исследователь, фотоэлектрическая генерация, Центр инженерных исследований, Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST).
Механизм износа органической электроники: впервые — тестирование на месте
Доктор Казухиро Марумото, доцент кафедры материалов и технологии органических полупроводников Университета Цукуба, является пионером в разработке, оценке характеристик и физике твердого тела органических электронных устройств на базе органических полупроводников. В ходе исследований ему удалось разработать метод выявления причины снижения производительности данных девайсов.
Теперь ожидается, что они станут намного долговечнее.
Многообещающая инновация — органическая солнечная батарея
Для производства полупроводников достаточно распечатать, окрасить и высушить необходимые материалы. В перспективе органический проводник может стать полупроводником следующего поколения. В 1977 г. доктор Сиракава Хидэки доказал проводимость органического материала, получив за это Нобелевскую и другие премии. За следующие 40 лет исследования значительно продвинулись вперед.
Уже скоро практическое применение органической электроники будет повсеместным трендом.
Примером электронного органического устройства является органическая солнечная батарея. В настоящее время нереально изготовить кремниевые солнечные батареи (наиболее применяемые из солнечных батарей) толщиной менее 100 микрон.
Органические полупроводники же могут быть невероятно тонкими: толщиной всего в несколько сот нанометров. Их можно свободно сгибать и налепливать, словно оберточную пленку. Можно наклеить на окно автомобиля и производить электроэнергию прямо в процессе вождения — эта и другие особенности органических батарей вдохновляют все больше людей. Однако на пути к вдохновляющей футуристичной картинке стоит серьезное препятствие.
Исследователи давно сообщают о неожиданном падении объема вырабатываемой электроэнергии в процессе работы органической солнечной батареи. Предполагалось, что проблема вызвана скоплением электрических зарядов где-то в элементе («ловушка электрического заряда»), но долгое время это оставалось гипотезой.
Гипотезу подтверждают инновационные методы анализа
Здание Института инженерных наук, где размещаются устройства ЭПР.
И тут появляется доктор Марумото, доцент. Изучая характеристики проводящего полимера, который используется для органических солнечных батарей, он обнаружил, что ловушка электрического заряда имеет тенденцию возникать по краям материала. Более того, с помощью ЭПР (электронный парамагнитный резонанс) ему впервые в мире удалось измерить и доказать тот факт, что когда электричество подается на электронные устройства, такие как солнечные батареи, электрический заряд задерживается на границе раздела между поверхностями материалов. Именно в тот момент гипотеза подтвердилась.
Новая роль ЭПР: поворот в традиционном мышлении
Послуживший открытию ЭПР-спектрометр является одним из инструментов для изучения материала. Если ЯМР измеряет поглощение радиочастот, порождаемых при воздействии магнитного поля на спин ядра, то ЭПР измеряет поглощение микроволн, возникающих при воздействии магнитного поля на спин электрона. Если электроны образуют пару на связывающей орбитали, микроволны не поглощаются. Но в случае молекулы, подобно радикалу содержащей электроны, которые не образовали пару (непарные электроны), поглощение микроволн происходит. Иными словами, ЭПР — это прибор, предназначенный для измерения радикалов.
Как правило, в химии под радикалом понимается молекула с неспаренными электронами, образовавшимися в результате разрыва внутримолекулярных связей. Однако в электронном устройстве радикалы образуются не за счет разрыва связей.
Когда посредством электрического тока в связь подается излишек заряда, заряд не локализуется, а, как правило, распределяется по молекулам с определенным разбросом.
В зависимости от положения и количества заряда ЭПР-сигналы различаются, в следствие чего можно установить, где находится заряд и в каком объеме.
Два устройства JEOL ESR (JES-FA200) в процессе работы
Сама по себе технология ЭПР — не новинка: уже 70 лет этот инструмент применяется в исследовании материалов. Однако доктор Марумото впервые использовал его для измерения производительности электронного устройства. Для того, чтобы вычислить производительность девайса, необходимо измерять, сколько электричества было проведено. Тонкость в том, что ЭПР не позволяет обнаружить проведенный электрический ток.
Тем не менее, доктор Марумото посчитал, что «если не выходит измерить то, что проводится, можно измерить то, что не проводится». Это совершенно иной угол зрения. В результате ЭПР получила новую роль — инструмента для измерения характеристик электронных девайсов. ЭПР-спектрометр от JEOL, который применял доктор Марумото в своих исследованиях, располагает широким окном фотооблучения, способным легко уловить внешний свет, поэтому он идеально подошел для анализа солнечной батареи — устройства, вырабатывающего электричество с помощью света.
Инновационный шаг в разработке элементов
Метод измерения электрического заряда, разработанный доктором Марумото, уже начал оказывать влияние на отрасль. Стало возможным оценить работоспособность элемента устройства на ранних стадиях, сразу подобрать элемент с высокой прочностью. Таким образом, ожидается ускорение разработок и множество усовершенствований. Прямо сейчас лабораторию доктора Марумото наводняют запросы на обучение и предложения от компаний о проведении совместных исследований.
Такими ожиданиями от ЭПР поделился доктор Марумото: «ЯМР эффективен, когда хочешь узнать, из чего сделан материал, но дать информацию об электропроводимости устройства может лишь ЭПР. С помощью ЭПР я бы хотел изучить самые разные электронные устройства, не только органические». Микронные глаза, способные уловить непроведенный ток. Эта «уникальная точка зрения», вероятно, сильно повлияет на исследования и разработки в области электрических устройств.