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制造完全不需要带电处理的振动发电元件~有机EL材料的新发展~

本文来自Chem-Station日文版 荷電処理が一切不要な振動発電素子を創る~有機EL材料の新しい展開~ spectol21

翻译投稿 炸鸡 校对 HaoHu

第262次的焦点研究采访的是千叶大学先进科学中心的石井久夫实验室的助教田中有弥先生。

石井实验室使用独特的光电子分光装置,从理科和工科的双重角度来研究以有机EL材料为代表的分子电子器件。说个小八卦,石井先生是个身高194cm的巨汉,可是说是日本化学界最高的人了(他的名片上印的也是The tallest chemist in Japan)。笔者曾经也有幸亲眼见过石井老师一面,石井老师不仅是个长腿欧巴,研究也做的棒人也很nice。

今天介绍的研究成果成功地利用了有机分子的排列特性,发明了新型振动发电元件。田中有弥先生研究的独特之处在于将极端的分子排列的相关基础技术和机能性设备结合起来。本成果在Scientific Report杂志上作为原著论文被公开发表,千叶大学JST等各种媒体也有相关报道。

“Self-Assembled Electret for Vibration-Based Power Generator”
Tanaka, Y.; Matsuura, N.; Ishii, H., Scientific Reports 10, 6648 (2020),  DOI: 10.1038/s41598-020-63484-9

实验室的大老板石井久夫先生对田中先生的研究成果发表了如下看法:

田中是我跳槽到千叶大学,成立实验室后带的第一届学生。田中组装了实验室内的各种装置,还参与了以装置研究为中心的电子分光等光谱学研究,积极推进研究室内的各种项目研究。毕业后他在公司从事研究开发工作,之后回到千叶大学担任助教。田中不局限于自己的专业,他对各种各样的事情都感兴趣并乐于解决各种问题,他能从理学和工学双重角度思考事情并且涉猎广泛。比如说这次,田中为了了解振动发电领域,积极参加不同领域的学会后就慢慢有了自己的研究idea。Scientific Reports上刊登的用于振动发电研究的“极性有机分子的自发定向现象”是我们实验室一个进行了很多年的课题。只不过,以前的研究里我们总是执着于单单蒸镀产生极化这一“理学谜题”研究,并没有朝着更实用的方向展开研究。这次,田中他自己提出了振动发电的驻极体的想法,并证明了。我越来越期待今后的发展了。

田中有弥先生是笔者从学生时代到现在的朋友。虽然我们的研究领域相差甚大,但因为学生时代有几次不同研究领域交流的机会所以我们一直保持着关系,这种不可思议的缘分让我们至今都保持着亲密的关系。有着公司和学校两方面双重经验的田中先生很善于找到两者之间的平衡点,这点时常让我受益匪浅。

那么废话少说,我们来一起看看田中有弥先生的具体研究介绍吧!

Q1. 田中先生您好,您能给我们稍微介绍下您的这次的研究内容吗?

这次的研究内容是通过利用自然排列的有机电子发光器件(EL)材料,实现了完全不需要带电处理的振动发电元件。

 图1 本研究开发的具有自组装驻极体的振动发电元件示意图  利用极性有机EL材料(右上角图)自然排列的特点,实现了完全不需要带电处理的驻极体式振动发电元件。

为了建成更安心,更安全的高效率社会,就要经常监测人、动物、人造物、自然环境等当前状况,如果它们发生了某种变化,就需要立即进行检测。这虽然可以利用数量庞大的无线传感器来达到目的,但并不是所有安装场所都可以使用商用电源。因此,传感器驱动电源成为一大问题。电池虽然很方便,但电池需要时常更换,而且还存在用完会变为有害垃圾的问题。因此,现在备受关注的是利用能从光、热、振动等能源得到电的环境发电(能源中心)。特别是配备驻极体的振动发电元件,它可以利用身边常见的振动发电,有望作为无线传感器的有力独立电源。

驻极体,一言以蔽之就是一种带电的膜,最初是由日本人发现的。为了能通过振动发电,故需要在元件中储存电荷,驻极体就是实现这一功能的。元件基本上是电容器的结构,因此即使没有驻极体,如果从外部施加电压,也可以将电荷储存在元件中,但如果要用另外的电力来达到振动发电的目的就本末倒置了。也就是说,驻极体是调制振动发电元件性能的心脏,但其制作一般都比较困难,所以制作驻极体的成本都非常高。

图2(a) TPBi薄膜的表面电位与膜厚度的相关性。表面电位与膜厚度成比例增加,得到了仅通过真空蒸镀就成膜的带电膜(驻极体)。 (b)使用TPBi制备的振动发电元件的输出电流。

产生了与电极的振动频率(55Hz (18.2 ms))一致的交流电流,这意味着通过使用TPBi,能够制造出完全不需要带电处理的驻极体式发电元件。

此次通过利用自然排列后膜表面显现出巨大电位的有机EL材料(图2(a)),成功开发出完全不需要带电处理的振动发电元件(图2(b)),并登上了新闻报纸。由于我们可以将有机EL材料作为驻极体使用,因此可以将这一想法推广到麦克风、传感器等各种驻极体类设备上,从而实现高性能、低成本的制造。

Q2. 能请您谈谈您觉得这个研究中最具有挑战性的地方和印象最深的地方吗?

那应该就是决定这个研究主题的时候吧。学生时代被分配到石井久夫先生的研究室以后,极性有机EL材料的自发定向现象一直是我长期的研究对象,我毕业后进入公司后也是研究的这一现象。定向现象的结果是在薄膜上发现的巨大的表面电位,这是一种罕见的性质,所以我回到大学以后一直在想办法怎样才能制作出能够发挥其特性的器件。但是完全不知道怎么制作出有用的器件。正在苦苦思索的时候,我得知科学技术振兴机构发明了利用微能源的新型环境发电技术,我随后和我们实验室推进这个项目的老师交流了一番,确定了以振动发电元件作为研究主题。因为绕以有机EL元件,目前所进行的有机电子领域多是围绕有机太阳能电池,有机电场效应晶体管为主的设备展开的,振动发电元件和驻极体的原理和重要性,还有它们相关课题还并没有被深入探究。虽然决定研究主题花了不少时间,最后发现有着巨大表面电位的材料群可以看作是“自组装型”驻极体这样就可以解决制作困难这一难题,并由此开始了研究。

Q3. 您认为研究最困难的地方是哪里呢?您是怎么克服的呢?

最困难的阶段应该是在开始做实验的前后一段时间和写论文的时候吧。当时我对振动发电元件几乎一无所知,根本不明白到底需要什么样的测量和设备,有什么样的研究会和学会。。。。这些领域内的常识我都不知道。所以我拜访了东京大学的藤田博之教授(现在到了东京都市大学)和鈴木雄二教授,年吉洋教授的实验室。教授们虽然和我素不相识,但教授们还是对我知无不言,详细地告诉了我有关振动发电元件的评价。如果没有老师们的帮助,我就不能顺利地开始我的研究,所以我非常感谢老师们的帮助,不光是以前,现在老师们也帮了我很多。

多亏了老师们的帮助,实验进展才很顺利,但是写论文才是煎熬的开始。有机半导体或振动发电方面的专业人士指出 “没有变为发电元件”“有人已经报道过发现表面电位了”。连收录我文章的杂志也以“找不到合适的审稿人”为由拖了11个月才刊登我的文章。长期的碰壁,以至于愚人节那天收到通知说我的文章被接收了,我还有点不敢相信。

Q4. 您将来的化学研究的目标是什么呢?

日本有很多与有机EL元件相关的材料、装置、设备厂商,可能是因为大家怕步有机EL显示器领域的后尘吧,我在公司的时候就感觉到有机EL元件产业现在死气沉沉的。但是我想现在的情况和以前不一样了,各家公司都在闭门造车。我想从事一些以化学为支柱与工业界有关联的研究,我想这样我就能为社会多少做一点贡献吧。

Q5. 最后,您有什么话想对读者说的吗?

我不太会说什么教导类的话,我就谈谈我对我这个研究主题的感想吧。最开始的时候我对这个研究课题是一窍不通,随着对振动发电元件的理解不断加深,我逐渐明确了我的目标就是制造出具有振动发电性质的材料。所以我的课题也就进入了明朗期了,我也决心以解决实际问题作为我课题的目标。令人高兴的是,往往以解决实际问题为目标的课题,你投入的精力越大,成果也出来的越快。正如九州大学的安達千波矢教授所讲“当你涉足进这项研究,你就会慢慢发现自己需要了解哪些知识点”,现在的我对这句话真的深有体会。我想即使是理学家有时也会对实用型研究抱有兴趣,所以还是真心建议大家不要拘泥于自己的专业。

到现在为止我们利用已知材料进行了关于振动发电元件的研究。我十分希望今后也能开发出新的自组装驻极体材料,但我现在还达不到合成的地步。希望有有机合成经验且对本研究感兴趣的人联系我哟

最后,我要感谢千叶大学的石井久夫老师,感谢您为我们提供了一个自由的研究环境,从日常讨论到论文写作您无一不尽心尽力指导。特别是关于本研究,石井老师提出“试试用开氏探针测量发电特性?”这一我没有想到的想法,让我的研究效率加倍了。另外,多亏了学生松浦宽恭细心的实验才有了论文里的实验数据。还有一句题外话,很多同期的博士研究生,尽管他们的过去经历和毕业后的职业道路不尽相同,但是因为有机元件的硕士研究会而结缘聚到一起,大家一起度过了一段同甘共苦的日子,真的非常感谢他们(这次就是非常荣幸的受到了他们中的朋友的约稿)真的非常谢谢大家。

研究者履历

姓名:田中 有弥(たなか ゆうや)

单位:千叶大学先进科学中心

研究主题:有机半导体器件,能量收集

履历:

  • 2008年3月 千叶大学工学部电子机械工学毕业
  • 2013年3月 千叶大学大学院融合科学研究科博士毕业。
  • 2010年4月~2013年3月 日本学术振兴会特別研究员(博士一年级)
  • 2013年4月 任职于Japan Display公司研究开发部
  • 2016年4月-现在 石井久夫实验室的助教
  • 2017年10月-现在JST PRESTO研究人员(兼任)

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