JPWO2011162199A1 - Current control method and current control apparatus - Google Patents
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Abstract
本発明による電流制御方法は、電極(22)と、電極(24)と、電極(22)および電極(24)の間に位置する有機半導体層(26)とを有する素子デバイス(20)を用意する工程と、磁場およびマイクロ波による有機半導体層(26)の電子スピン共鳴現象に関連して、電極(22)と電極(24)との間を流れる電流を制御する工程とを包含する。制御する工程は、磁場、マイクロ波および有機半導体層(26)に照射される光の少なくとも1つを変化させる工程を含む。The current control method according to the present invention provides an element device (20) having an electrode (22), an electrode (24), and an organic semiconductor layer (26) positioned between the electrode (22) and the electrode (24). And controlling the current flowing between the electrode (22) and the electrode (24) in relation to the electron spin resonance phenomenon of the organic semiconductor layer (26) by the magnetic field and microwave. The controlling step includes a step of changing at least one of a magnetic field, a microwave, and light applied to the organic semiconductor layer (26).
Description
本発明は、電流制御方法および電流制御装置に関する。 The present invention relates to a current control method and a current control device.
1988年のFertらによるFe/Cr人工格子に対しての巨大磁気抵抗効果の発見を契機として、磁場による電流制御の応用性が注目されている。磁気抵抗素子は、磁場を用いて、素子を流れる電流量をある閾値間で制御して、2つの状態(典型的には0および1と表される)の区別を行うことができるため、例えば、量子情報処理に応用されている。近年では、磁気抵抗素子は、下記特許文献1に記載されたような磁気センサや磁気ヘッドだけでなく、磁気抵抗メモリ(Magnetoresistive Random Access Memory:MRAM)などの開発にも利用されている。 With the discovery of the giant magnetoresistance effect on the Fe / Cr artificial lattice by Fert et al. In 1988, attention has been paid to the applicability of current control by a magnetic field. A magnetoresistive element can use a magnetic field to control the amount of current flowing through the element between certain thresholds to distinguish between two states (typically represented as 0 and 1), for example, It is applied to quantum information processing. In recent years, the magnetoresistive element is used not only for the magnetic sensor and the magnetic head described in Patent Document 1 below, but also for the development of a magnetoresistive memory (Magnetic Resistive Random Access Memory: MRAM).
一般に、磁気抵抗型素子の特性は、ゼロ磁場時の電気抵抗率ρ(0)と磁場印加による飽和電気抵抗率ρ(H)を用いて表される式(ρ(0)−ρ(H))/ρ(H)の値から評価される。Fe/Cr人工格子の発見以降、Co/Cu、Co/Ag、Ni/Agなど強磁性金属と非強磁性金属を組み合わせたさまざまな金属人工格子を利用した巨大磁気抵抗効果が発見されている。 In general, the characteristics of a magnetoresistive element are expressed by an equation (ρ (0) −ρ (H) expressed by using an electrical resistivity ρ (0) at zero magnetic field and a saturated electrical resistivity ρ (H) by applying a magnetic field. ) / Ρ (H). Since the discovery of the Fe / Cr artificial lattice, giant magnetoresistive effects using various metal artificial lattices in which ferromagnetic metals such as Co / Cu, Co / Ag, and Ni / Ag are combined with non-ferromagnetic metals have been discovered.
しかし、上述の式(ρ(0)−ρ(H))/ρ(H)の値は、極低温で100%を超える物質が存在するものの、通常、室温では50%程度にとどまり、この値を向上させるためのさらなる開発が望まれている。また、素子の応用性を広げるためには、磁場のみで制御するのではなく、他の手法による電流制御の開発が望まれている。 However, although the value of the above formula (ρ (0) −ρ (H)) / ρ (H) exceeds 100% at a very low temperature, it is usually only about 50% at room temperature. Further development to improve the performance is desired. In addition, in order to broaden the applicability of the element, it is desired to develop a current control by another method, not by a magnetic field alone.
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、さまざまな用途に適用可能な新規な電流制御方法および電流制御装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a novel current control method and current control apparatus applicable to various applications.
本発明による電流制御方法は、第1電極と、第2電極と、前記第1電極および前記第2電極の間に位置する有機半導体層とを有する素子デバイスを用意する工程と、磁場およびマイクロ波による前記有機半導体層の電子スピン共鳴現象に関連して、前記磁場、前記マイクロ波および前記有機半導体層に照射される光の少なくとも1つを変化させることにより、前記第1電極と前記第2電極との間を流れる電流を制御する工程とを包含する。 The current control method according to the present invention includes a step of preparing an element device having a first electrode, a second electrode, and an organic semiconductor layer positioned between the first electrode and the second electrode, and a magnetic field and a microwave. In relation to the electron spin resonance phenomenon of the organic semiconductor layer due to the above, the first electrode and the second electrode are changed by changing at least one of the magnetic field, the microwave and the light applied to the organic semiconductor layer. And controlling the current flowing between them.
ある実施形態では、前記変化させる工程において、前記磁場および前記マイクロ波の少なくとも一方を変化させる。 In one embodiment, in the changing step, at least one of the magnetic field and the microwave is changed.
ある実施形態では、前記変化させる工程において、前記有機半導体層の電子スピン共鳴の有無を変化させる。 In one embodiment, the presence or absence of electron spin resonance in the organic semiconductor layer is changed in the changing step.
ある実施形態では、前記用意する工程において、前記素子デバイスは、前記第1電極および前記第2電極の少なくとも一方と前記有機半導体層との間に設けられた絶縁層を有する。 In one embodiment, in the preparing step, the element device has an insulating layer provided between at least one of the first electrode and the second electrode and the organic semiconductor layer.
ある実施形態では、前記変化させる工程において、前記磁場の強度および前記マイクロ波の強度のうちの少なくとも一方を変化させる。 In one embodiment, in the changing step, at least one of the intensity of the magnetic field and the intensity of the microwave is changed.
ある実施形態では、前記変化させる工程において、前記磁場の形成と非形成を切り換える。 In one embodiment, in the step of changing, the formation and non-formation of the magnetic field are switched.
ある実施形態では、前記変化させる工程において、前記マイクロ波の照射と非照射を切り換える。 In one embodiment, the microwave irradiation and non-irradiation are switched in the changing step.
ある実施形態では、前記用意する工程において、前記有機半導体層はπ型共役ポリマーを有する。 In one embodiment, in the preparing step, the organic semiconductor layer has a π-type conjugated polymer.
本発明による電流制御装置は、第1電極と、第2電極と、前記第1電極および前記第2電極の間に位置する有機半導体層とを有する素子デバイスと、前記素子デバイスの配置された空間に磁場を形成する磁場形成部と、前記素子デバイスにマイクロ波を照射するマイクロ波照射部とを備え、前記磁場および前記マイクロ波による前記有機半導体層の電子スピン共鳴現象に関連して、前記磁場、前記マイクロ波および前記有機半導体層に照射される光の少なくとも1つを変化させることにより、前記第1電極と前記第2電極との間を流れる電流が制御される。 The current control apparatus according to the present invention includes an element device having a first electrode, a second electrode, and an organic semiconductor layer positioned between the first electrode and the second electrode, and a space in which the element device is disposed. A magnetic field forming part for forming a magnetic field on the element device and a microwave irradiating part for irradiating the element device with a microwave, wherein the magnetic field and the electron spin resonance phenomenon of the organic semiconductor layer by the microwave are related to the magnetic field. The current flowing between the first electrode and the second electrode is controlled by changing at least one of the light applied to the microwave and the organic semiconductor layer.
ある実施形態において、前記磁場形成部および前記マイクロ波照射部の少なくとも一方は、前記磁場および前記マイクロ波の少なくとも一方を変化させる。 In one embodiment, at least one of the magnetic field forming unit and the microwave irradiation unit changes at least one of the magnetic field and the microwave.
ある実施形態において、前記磁場形成部および前記マイクロ波照射部の少なくとも一方は、前記有機半導体層の電子スピン共鳴現象の有無を変化させる。 In one embodiment, at least one of the magnetic field forming unit and the microwave irradiation unit changes presence or absence of an electron spin resonance phenomenon in the organic semiconductor layer.
ある実施形態において、前記素子デバイスは、前記第1電極および前記第2電極の少なくとも一方と前記有機半導体層との間に設けられた絶縁層を有する。 In one embodiment, the element device has an insulating layer provided between at least one of the first electrode and the second electrode and the organic semiconductor layer.
ある実施形態において、前記磁場形成部および前記マイクロ波照射部の少なくとも一方は、前記磁場の強度および前記マイクロ波の強度のうちの少なくとも一方を変化させる。 In one embodiment, at least one of the magnetic field forming unit and the microwave irradiation unit changes at least one of the intensity of the magnetic field and the intensity of the microwave.
ある実施形態において、前記磁場形成部は、前記磁場の形成と非形成を切り換える。 In one embodiment, the magnetic field forming unit switches between formation and non-formation of the magnetic field.
ある実施形態において、前記マイクロ波照射部は、前記マイクロ波の照射と非照射を切り換える。 In one embodiment, the microwave irradiation unit switches between irradiation and non-irradiation of the microwave.
ある実施形態において、前記有機半導体層はπ型共役ポリマーを有する。 In one embodiment, the organic semiconductor layer has a π-type conjugated polymer.
本発明によれば、さまざまな用途に適用可能な新規な電流制御を行うことができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the novel current control applicable to various uses can be performed.
以下、図面を参照して本発明による電流制御方法および電流制御装置の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of a current control method and a current control apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に、本実施形態の電流制御装置10の模式図を示す。電流制御装置10は、素子デバイス20と、磁場形成部30と、マイクロ波照射部40とを備える。素子デバイス20は光の照射される場所に配置される。例えば、素子デバイス20には太陽光が照射される。磁場形成部30は素子デバイス20の配置された空間に磁場を形成する。マイクロ波照射部40は素子デバイス20にマイクロ波を照射する。本実施形態の電流制御装置10では、素子デバイス20に対して磁場形成部30が所定の強度の磁場を形成するとともにマイクロ波照射部40が所定の周波数を有するマイクロ波を照射することにより、素子デバイス20において電子スピン共鳴現象が生じる。
In FIG. 1, the schematic diagram of the
図2に、電流制御装置10における素子デバイス20の一例を示す。素子デバイス20は、電極22と、電極24と、電極22と電極24の間に位置する有機半導体層26とを有している。電極22は基板Sに支持されていてもよい。なお、本明細書の以下の説明において、電極22および電極24をそれぞれ第1電極22および第2電極24と呼ぶことがある。
FIG. 2 shows an example of the
有機半導体層26に光が照射されると有機半導体層26の光の吸収に伴い、キャリアが発生する。例えば、キャリアは、有機半導体層26が可視光および紫外光を吸収することによって発生する。
When the
キャリアが発生する場合、電極22と電極24との間に電圧が印加されていると、発生したキャリアは電極22から電極24に向かって、または、その反対に移動する。移動するキャリアは電極22と電極24との間を流れる電流として取り出すことができ、このような電流は光電流とも呼ばれる。素子デバイス20として積層型有機太陽電池を用いてもよい。例えば、素子デバイス20として、電子受容体としてのフラーレン誘導体と、電子供与体としてのπ型共役ポリマーとを組み合わせた有機薄膜半導体を有する太陽電池を用いてもよい。
When a carrier is generated, if a voltage is applied between the
なお、図1に示した電流制御装置10において、例えば、磁場形成部30として電磁石が用いられる。ただし、磁場を印加することができれば、磁場形成部30として任意のものを用いてもよい。また、例えば、マイクロ波照射部40としてマイクロ波共振器が用いられる。マイクロ波共振回路40は、金属等の導体の壁面で囲まれた空洞共振器であって、共振条件を満たす所定の周波数の電磁波しか存在できないように構成されている。なお、ここでは、素子デバイス20は、電磁石30の間で、かつ、マイクロ波共振器40の中央に配置されている。
In the
図1に示した電流制御装置10では、磁場形成部30およびマイクロ波照射部40が一体的に構成されており、磁場の強度とマイクロ波の周波数から決定される共鳴条件下で有機半導体層26において電子スピン共鳴現象が生じる。なお、本明細書の以下の説明において、磁場形成部30およびマイクロ波照射部40を併せて電子スピン共鳴装置100と呼ぶことがある。電子スピン共鳴装置100として市販の装置を用いてもよい。
In the
以下、図1および図2を参照して本実施形態の電流制御方法を説明する。まず、第1電極22、第2電極24および有機半導体層26を有する素子デバイス20を用意する。次に、磁場およびマイクロ波による有機半導体層26の電子スピン共鳴現象に関連して、磁場、マイクロ波および有機半導体層26に照射される光の少なくとも1つを変化させることにより、第1電極22と第2電極24との間を流れる電流を制御する。
Hereinafter, the current control method of this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. First, the
本実施形態の電流制御装置10は、磁場とマイクロ波によって生じる電子スピン共鳴現象に関連して、電極22と電極24との間を流れる電流を制御する。有機半導体層26内の不対電子は、所定の強度の磁場の影響下に置かれると、所定の周波数を有するマイクロ波を吸収し、より高いエネルギー準位に遷移する。このような現象は電子スピン共鳴現象と呼ばれる。多数の不対電子が存在する有機半導体層26に、磁気形成部30から強い磁場が与えられると、不対電子のスピンは磁場方向に向きを変える。なお、厳密には、一部のスピンは磁場に平行になる一方で、一部のスピンは磁場と逆平行になるが、前者のスピンは後者のスピンよりも安定であるため、確率的に若干多く存在する。前者と後者のスピンのエネルギー差は磁場の強さに応じて変化する。この状態で、前者から後者のスピンに向きを変えるのに必要なエネルギーを有するマイクロ波が照射されると、電子スピン共鳴がおこり、入射したマイクロ波が吸収される。
The
例えば、磁場およびマイクロ波の少なくとも一方が、有機半導体層26の電子スピン現象が生じるように設定された所定の状態から、電子スピン現象が生じないように設定された状態に変化する場合、電流制御装置10において電極22と電極24との間に比較的大きな電流が流れる。磁場の強度を所定の値から変化させてもよく、例えば、磁場の強度を所定の値からゼロに変化させて磁場を非形成にしてもよい。あるいは、マイクロ波の周波数を所定の値から変化させてもよく、また、マイクロ波を非照射にしてマイクロ波の強度をゼロにしてもよい。
For example, when at least one of the magnetic field and the microwave changes from a predetermined state set so as to cause the electron spin phenomenon of the
なお、厳密には、磁場形成部30によって形成される磁場の強度、および、マイクロ波照射部40によって照射されるマイクロ波の周波数をある程度変化させても有機半導体層26においてある程度の割合で電子スピン現象が生じることがある。このため、磁場形成部30によって形成される磁場の強度、および、マイクロ波照射部40によって照射されるマイクロ波の周波数は、電子スピン現象が生じない程度まで変化させることが好ましい。例えば、電子スピン現象の生じる磁場の強度が約3370Gである場合、磁場の強度を約10G程度変化させることにより(具体的には、3360G未満または3380G以上にすることにより)、電子スピン現象が生じなくなる。
Strictly speaking, even if the intensity of the magnetic field formed by the magnetic
また、例えば、磁場およびマイクロ波の少なくとも一方が、有機半導体層26の電子スピン現象が生じないように設定された状態から、電子スピン現象が生じるように設定された所定の状態に変化する場合、電流制御装置10において電極22と電極24との間に比較的大きな電流が流れる。磁場の強度を、電子スピン現象を生じさせる所定の強度に変化させてもよく、例えば、磁場を非形成から所定の強度で形成してもよい。あるいは、マイクロ波の周波数を、電子スピン現象を生じさせる所定の周波数に変化させてもよく、また、マイクロ波を非照射から所定の周波数で照射するように変化させてもよい。
In addition, for example, when at least one of the magnetic field and the microwave changes from a state set so as not to cause the electron spin phenomenon of the
また、磁場およびマイクロ波が、電子スピン現象の生じるように設定された状態で、有機半導体層26に照射される光の強度または波長を変更してもよい。これにより、電極22と電極24との間を流れる電流を制御することができる。
Further, the intensity or wavelength of the light applied to the
以上のように、電流制御装置10は、磁場とマイクロ波によって生じる電子スピン共鳴現象に関連して、磁場、マイクロ波および有機半導体層26に照射される光の少なくとも1つを変化させることにより、第1電極22と第2電極24との間を流れる電流を制御することができる。例えば、磁場の強度およびマイクロ波の強度および周波数の少なくとも1つを変化させる場合、変化毎に電極22と電極24との間に比較的大きな電流を流すことができる。したがって、マイクロ波の周波数と磁場強度から決定される電子スピン共鳴条件を利用して交流電流を発生できる。
As described above, the
図1では、磁気形成部30からの静磁場の強度をH0と示し、マイクロ波照射部40からの電磁場の強度をH1と示している。このような状態で、有機半導体層26に光が照射されると、静磁場の値H0とマイクロ波の周波数から決定される共鳴条件を満足する場合に、そのマイクロ波照射部40からのマイクロ波の強度および/または周波数、または、磁気形成部30からの磁場の強度(H0)を変調すると、その変調周波数を有する交流電流を発生させることができる。
In FIG. 1, the strength of the static magnetic field from the magnetic forming
例えば、マイクロ波の周波数を一定に保ちながら磁場の強度を増減させるか、または、磁場の強度を一定に保ちながら所定の周波数を有するマイクロ波の強度を増減させることにより、電極22、24の間を流れる電流を制御する。ここで、マイクロ波の強度は、一定の幅を有するパルス状に変化してもよく、正弦波状に変化してもよい。この場合、発生する交流電流の周波数は、マイクロ波または磁場の強度変調の周波数によって決定される。なお、共鳴条件を与える磁場強度とマイクロ波周波数は比例関係にあるため、共鳴条件を満足する限り、磁場強度とマイクロ波周波数は、任意の値に変更することができる。 For example, by increasing or decreasing the strength of the magnetic field while keeping the frequency of the microwave constant, or by increasing or decreasing the strength of the microwave having a predetermined frequency while keeping the strength of the magnetic field constant. To control the current flowing through. Here, the intensity of the microwave may change in a pulse shape having a certain width, or may change in a sine wave shape. In this case, the frequency of the alternating current generated is determined by the frequency of the intensity modulation of the microwave or magnetic field. Since the magnetic field intensity giving the resonance condition and the microwave frequency are in a proportional relationship, the magnetic field intensity and the microwave frequency can be changed to arbitrary values as long as the resonance condition is satisfied.
例えば、マイクロ波照射部40が、マイクロ波を照射している状態と照射していない状態(ON−OFF状態)を切り替えることにより、電極22、24間に流れる電流を制御することができる。例えば、マイクロ波のAM変調によって電子スピン共鳴現象が発生する状態と発生しない状態とに切り替えることができ、その切り替えるタイミングによって電子スピン共鳴現象による電流を発生することができる。この場合、電子スピン共鳴現象の発生直後(すなわち、マイクロ波照射のON直後)にはマイナス方向のスパイク状の電流が、電子スピン共鳴現象の停止直後(すなわち、マイクロ波照射のOFF直後)にはプラス方向のスパイク状の電流が流れる。
For example, the current flowing between the
同様に、磁場を形成している状態としていない状態(ON−OFF状態)を切り替えることにより、電子スピン共鳴現象による電極22、24間に流れる電流を制御することができる。このようにして、電子スピン共鳴現象のON−OFF状態を切り替えることにより、電極間に電流を発生させることができる。
Similarly, the current flowing between the
なお、電子スピン共鳴によって電流が発生する理由として、ポーラロンペアの関与が考えられる。ポーラロンペアとは、ポリマー鎖間において電子と正孔が弱く結合した状態であり、励起子とキャリアの中間体とされている。ポーラロンペアには励起子と同様に、singlet(PPS)とtriplet(PPT)の形態が存在する。定常条件の下では、キャリア、ポーラロンペア、励起子間における解離、再結合において、平衡状態が成立している。電子スピン共鳴によりポーラロンペアの電子あるいは正孔のスピンが反転することで、PPSとPPTの個数の関係が平衡状態から崩れ、キャリアの個数が変化し、電流が変化すると考えられる。It should be noted that a polaron pair may be involved as a reason for the generation of current by electron spin resonance. A polaron pair is a state in which electrons and holes are weakly bonded between polymer chains, and is an intermediate between excitons and carriers. In the polaron pair, there are singlet (PP S ) and triplet (PP T ) forms as well as excitons. Under steady-state conditions, an equilibrium state is established in dissociation and recombination between carriers, polaron pairs, and excitons. By inverting the electron or hole spin of Poraronpea by electron spin resonance, the relationship of the number of PP S and PP T collapse from the equilibrium state, the number of carriers is changed, is considered current changes.
電流制御装置10では、磁場のみならずマイクロ波を利用して電流を制御するため、磁場の強度を一定にした条件下において、マイクロ波を制御因子(スイッチ)として用いることができる。また、電流制御装置10を用いて磁気抵抗型素子を作製した場合、磁気抵抗型素子の1つの特性を示す(ρ(0)−ρ(H))/ρ(H)の値を室温で100%以上にできるため、大きな電流差を必要とする用途に好適に利用できる。このように、電流制御装置10では、磁場のみならずマイクロ波を利用して電流を制御することが可能であるため、磁場のみを利用して電流の制御を行う場合と比べると、広い範囲で応用を図ることができる。加えて、発生電流は光に応じて生成されており、発生電流を光量や光の波長に応じて制御することができる。
In the
なお、上述した説明では、一例として、素子デバイス20(より具体的には有機半導体層26)に、太陽光などの電流制御装置10の外部からの光が照射されたが、本発明はこれに限定されない。素子デバイス20(有機半導体層26)には電流制御装置10内の部材から出射された光が照射されてもよい。
In the above description, as an example, the element device 20 (more specifically, the organic semiconductor layer 26) is irradiated with light from the outside of the
図3に、本実施形態の電流制御装置10の模式図を示す。図3に示した電流制御装置10は光源50をさらに備える点を除いて、図1を参照して上述した電流制御装置と同様の構成を有しており、冗長を避けるために重複する説明を省略する。例えば、光源50として半導体レーザを用いてもよい。電流制御装置10では、光源50を制御することにより、電流を制御することができる。
In FIG. 3, the schematic diagram of the
なお、上述したように、素子デバイス20では、有機半導体層26に光が照射されることにより、電極22と電極24との間に電流が流れてもよい。以下、図4を参照して光の照射によって電極22と電極24との間に電流が流れる素子デバイス20の一例を説明する。
As described above, in the
図4に示した素子デバイス20では、電極22が正極であり、電極24が負極である。素子デバイス20において有機半導体層26は、バッファー層26aと、電子供与体層26bと、電子受容体層26cと有している。バッファー層26aは、透明電極22と電子供与体層26bとの間に位置しており、電子供与体層26bへの電荷(正孔)注入効率を向上させる。電子供与体層26bは光によって励起された電子を渡す。電子受容体層26cは電子を受け取り、電極24まで転送する。電子供与体層26bおよび電子受容体層26cは併せて光電変換層26oと呼ばれる。ここでは、電極22は透明電極であり、また、電極22は基板Sに支持されている。電極24として金属電極を用いてもよい。
In the
光励起により発生したエキシトン(励起子)は、電子供与体層26bと電子受容体層26cとの界面のpn接合部で電荷分離され、電子は電子受容体層26cへ、正孔は電子供与体層26bへ移動する。その後、正孔は電子供与体層26b中を、電子は電子受容体層26c中をそれぞれ移動し、電流を取り出すことができる。
Exciton (exciton) generated by photoexcitation is charge separated at the pn junction at the interface between the
基板Sは、透明なものであってもよく、不透明なものであってもよい。ただし、基板S側が光の受光面となる場合には、基板Sとして透明基板を用いることが好ましい。この場合、特に限定されるものではないが、透明基板Sとして石英ガラス等のガラス基板が用いられる。なお、透明基板Sとして、ガラス基板以外にも、合成石英板等の可撓性のない透明なリジット材、あるいは透明樹脂フィルム、光学用樹脂板等の可撓性を有する透明なフレキシブル材を利用してもよい。 The substrate S may be transparent or opaque. However, a transparent substrate is preferably used as the substrate S when the substrate S side is a light receiving surface. In this case, although not particularly limited, a glass substrate such as quartz glass is used as the transparent substrate S. In addition to the glass substrate, a transparent rigid material such as a synthetic quartz plate or a flexible flexible material such as a transparent resin film or an optical resin plate is used as the transparent substrate S. May be.
例えば、透明電極22は、酸化インジウムにスズを添加したITOから構成されてもよい。なお、透明電極22の材料は特にITOに限定されないが、後述するように、電極24の仕事関数等を考慮すると、透明電極22は、仕事関数の高い材料から形成されることが好ましい。
For example, the
電極24は、導電性を有する材料であれば特に限定されない。ただし、透明電極22を仕事関数の比較的高いITOから形成する場合、電極24として、仕事関数の低いアルミニウムを用いることが好ましい。
The
例えば、バッファー層26aは、3,4−ポリエチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルホネート(poly(3,4−ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)、以下PEDOT・PSSという。)から構成される。PEDOT・PSSは、極めて高い導電性を示し、バッファー層26aの材料として好適に用いられる。あるいは、バッファー層26aはスターバーストアミンまたはCuPc(銅フタロシアニン)等から構成されてもよい。なお、必要に応じてバッファー層26aを省略してもよい。
For example, the
電子供与体層26bはポリマー主鎖に沿った共役π電子を有するπ共役ポリマーから構成されることが好ましい。例えば、電子供与体層26bは、poly(2−methoxy−5−ethylhexyloxy−1,4−phenylenevinylene、以下MEH−PPVという。)から構成される。あるいは、電子供与体層26bは、poly(3−hexylthiopene)(略称、P3HT)、または、poly(2−methoxy−5―(3‘,7’−dimethyloctyloxy)―1,4−phenylenevinylene)(略称、MDMOPPV)などの他のπ共役ポリマーから構成されてもよい。
The
電子受容体層26cは、フラーレン(C60)又はフラーレン誘導体から構成されている。フラーレン(C60)又はフラーレン誘導体は高いエネルギー変換効率を示し得る。ここで、フラーレン誘導体とは、フラーレン、フラーレンの誘導体、ならびに、フラーレンおよびフラーレンの誘導体の混合物をいう。フラーレン誘導体としては、フラーレン骨格を有する化合物であれば特に限定されない。また、フラーレン骨格における炭素原子は、いずれも任意の基で表面修飾されていてもよく、この表面修飾基同士が互いに結合して環を形成していてもよい。また、1分子中に含まれるフラーレン骨格単位は、その表面修飾基を含め、同一であっても異なっていてもよい。The
このようなフラーレン誘導体としては、例えば高次フラーレン類、表面修飾基を有する表面修飾フラーレン類、バッキーオニオン、フラーレン結合ポリマー類等が挙げられる。高次フラーレン類としては、例えば、C60、C70、C76、C78、C84等がある。本明細書において、高次フラーレン類とは、高次フラーレンだけでなく、高次フラーレンの誘導体も含む。例えば、電子受容体層26cは、フラーレン誘導体として、(6,6)−フェニル−C61−ブチル酸メチルエステル((6,6)−phenyl−C61−butyric acid methyl ester、以下PCBMという。)から構成される。フラーレンそのものは有機溶媒への溶解性が低いことから、真空蒸着法で形成される。これに対して、PCBMは有機溶媒に溶解させた溶液をスピンコーティングなどによって薄膜状に形成することができる。Examples of such fullerene derivatives include higher-order fullerenes, surface-modified fullerenes having a surface-modifying group, bucky onions, and fullerene-bonded polymers. Higher order fullerenes include, for example, C 60 , C 70 , C 76 , C 78 , C 84 and the like. In the present specification, higher-order fullerenes include not only higher-order fullerenes but also derivatives of higher-order fullerenes. For example, the
素子デバイス20では、光励起により発生したエキシトン(励起子)は、フラーレン又はフラーレン誘導体(電子受容体層26c)とπ共役ポリマー(電子供与体層26b)の界面のpn接合部で電荷分離され、電子は電子受容体層26cへ、正孔は電子供与体層26bへ移動する。その後、正孔はπ共役ポリマー(電子供与体層26b)のネットワーク中を、電子はフラーレン(電子受容体層26c)のネットワーク中をそれぞれ移動し、電流として取り出される。
In the
以下、図5を参照して、図4に示した素子デバイス20の一例およびその作製方法を説明する。
Hereinafter, an example of the
まず、ガラス基板Sの表面上に、ITOを含む電極22を形成する。その後、電極22の上に、バッファー層26a、電子供与体層26b、電子受容体層26cを形成する。
First, the
ここでは、バッファー層26aはPEDOT・PSSから構成され、電子供与体層26bはMEH−PPVから構成され、電子受容体層26cはPCBMから構成される。例えば、バッファー層26a、電子供与体層26bおよび電子受容体層26cをこの順番にスピンコート法で形成する。これらの材料を塗布する手法として、例えばダイコート法、ディップコート法、ロールコート法、ビードコート法、スプレーコート法、バーコート法、グラビアコート法等を用いることができる。なお、上述したように、電子受容体層26cはフラーレンから構成されてもよく、この場合、電子受容体層26cは真空蒸着で形成される。
Here, the
電極24は、例えば、真空蒸着を用いて形成される。例えば、電極24はアルミニウムから形成される。電極24の形成方法として、真空蒸着法の他に、例えばスパッタリング法、イオンプレーティング法等のPVD法や、CVD法等の乾式塗工法を採用することができる。
The
ここで、図6を参照して、図4に示した素子デバイス20を備える電流制御装置10の測定結果を説明する。図6は、電流制御装置10によって得られた電流の時間変化を示すグラフである。図6において横軸は時間を示し、縦軸は素子デバイス20において発生する光電流を示している。
Here, with reference to FIG. 6, the measurement result of the
ここでは、素子デバイス20に照射する光の波長は488nm、光の強度は25mWであり、印加する磁場の強度は3380Gである。また、マイクロ波の周波数は、約9.5GHzである。マイクロ波の強度は周波数50Hz(周期20ms)で、強度は0mWおよび200mWで変調される。
Here, the wavelength of the light applied to the
図6から理解されるように、電子スピン共鳴の有無が変化するまで、室温中で約4nAの直流光電流(定常光電流)が得られているが、電子スピン共鳴の有無の変化が起こった直後に、スパイク状の光電流の増加(+11nA)および減少(−4nA)が観測される。このスパイク状の光電流は、室温中において直流光電流の200%以上大きい振幅値を示している。 As understood from FIG. 6, a DC photocurrent (steady photocurrent) of about 4 nA was obtained at room temperature until the presence or absence of electron spin resonance changed, but the presence or absence of electron spin resonance occurred. Immediately thereafter, spiked photocurrent increases (+11 nA) and decreases (−4 nA) are observed. This spike-like photocurrent has an amplitude value that is 200% or more larger than the DC photocurrent at room temperature.
なお、図6では、マイクロ波の強度を周波数50Hz(周期20ms)で変調しているが、これを1kHz以上程度で変調すると、スパイク状の電流がサイン波の交流電流波形に近づく。また、ここでは光の強度は約25mWであるが、照射強度をより強くすると、交流光電流はさらに増加する。
In FIG. 6, the intensity of the microwave is modulated at a frequency of 50 Hz (
なお、上述した説明では、素子デバイス20(有機半導体層26)に光が照射されると、電極22と電極24との間に電流が流れたが、本発明はこれに限定されない。素子デバイス20(有機半導体層26)に光が照射されても電極22と電極24との間に電流が流れなくてもよい。
In the above description, when the element device 20 (organic semiconductor layer 26) is irradiated with light, a current flows between the
図7に、素子デバイス20の構造を示す。図7に示した素子デバイス20は、電極22、24および有機半導体層26に加えて、電極22と有機半導体層26との間に位置する絶縁層23と、電極24と有機半導体層26との間に位置する絶縁層25とをさらに有している。
FIG. 7 shows the structure of the
絶縁層23、25は絶縁性樹脂から形成される。絶縁性樹脂として、例えば、日本ゼオン株式会社製のシクロオレフィンポリマー樹脂が用いられる。絶縁層23、25により、電極22と電極24との間を流れる電流が抑制される。例えば、図7に示した素子デバイス20では、絶縁層23、25が形成されているため定常光電流が発生しない。
The insulating layers 23 and 25 are made of an insulating resin. As the insulating resin, for example, cycloolefin polymer resin manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd. is used. The insulating layers 23 and 25 suppress the current flowing between the
図7に示した素子デバイス20において、有機半導体層26はπ型共役ポリマーを含んでもよい。例えば、有機半導体層26のπ型共役ポリマーとしてpoly(2−methoxy−5−ethylhexyloxy−1,4−phenylenevinylene、以下MEH−PPVという。)を用いている。MEH−PPVの他にもpoly(3−hexylthiopene)(略称、P3HT)やpoly(2−methoxy−5―(3‘,7’−dimethyloctyloxy)―1,4−phenylenevinylene)(略称、MDMOPPV)やC60フラーレンなどを用いてもよい。また、有機半導体層26がπ型共役ポリマーを含む場合、例えば電子受容体としてのフラーレン誘導体と、電子供与体としてのπ型共役ポリマーとを組み合わせた有機薄膜半導体を用いてもよい。なお、P3HTは波長650μm以下の光を吸収し、MDMOPPVは波長600nm以下の光を吸収する。また、C60フラーレンは可視域および紫外領域の光を吸収する。In the
図7に示した素子デバイス20では、透明電極22と有機半導体層26の間に絶縁層23が設けられ、有機半導体層26と金属電極24の間に絶縁層25が設けられている。絶縁層23、25により、素子デバイス20には定常光電流が発生しない一方で、電子スピン共鳴の有無の変化によるスパイク状の交流電流を発生させることができる。
In the
以下、絶縁層23、25が設けられているにも関わらずスパイク電流が発生する理由について説明する。通常、有機半導体層を異なる電極で挟んだ構造のデバイスをショートさせた場合には、有機半導体層内に内部電場が生じ、光電流の流れる方向は、その電場の向きによって一意的に決まる。そのため、観測された電子スピン共鳴によって光電流の向きが反転する現象は、キャリア数の変化等では起こりえない。電子スピン共鳴によって起こる電流変化は、デバイス内での電場環境(すなわち誘電率)が変わることにより誘起された変位電流が原因であると考えられる。電子スピン共鳴によって内部電場が変化する機構の詳細は、現在のところ明らかではないが、スピン反転によるポーラロンペアの再結合量や解離量の増減がデバイス内部のキャリア分布を変えることに起因して、電子スピン共鳴による内部電場の変化が起こっているのではないかと考えられる。
Hereinafter, the reason why the spike current is generated although the insulating
なお、図7示した素子デバイス20では有機半導体層26の両側に2つの絶縁層23、25が設けられているが、本発明はこれに限定されない。絶縁層23、25のうちの絶縁層23のみが設けられてもよく、または、絶縁層25のみが設けられてもよい。このように、素子デバイス20には絶縁層23、25の少なくとも一方が設けられてもよい。
In the
以下、図8に、図7に示した素子デバイス20を用いた場合の測定結果を説明する。図8では、オシロスコープで計測した光電流検出ESR信号のピーク付近(すなわち共鳴点)における時間変化スペクトルを示している。なお、電子スピン共鳴現象のON−OFFの状態は、マイクロ波のAM変調により実現している。ここでは、光電流検出ESRはX−バンド用のマイクロ波キャビティ内にセットした素子デバイスを、波長473nmの半導体レーザーで光励起し、光電流Iを室温かつ窒素雰囲気中で測定している。
Hereinafter, a measurement result in the case where the
図8から、絶縁層23、25の設けられた素子デバイス20を用いた場合、絶縁層23、25によって定常光電流が観測されない一方で、電子スピン共鳴によるスパイク電流が観測されることが分かる。このように、有機半導体層26と電極22、24の間に絶縁層23、25を設けることにより、定常光電流を除去するとともに、電子スピン共鳴の有無が変化する際にスパイク電流が得られる。絶縁層が形成されていない素子デバイス20に対して同様の条件で行った図6と図8との比較から理解されるように、図7に示した素子デバイス20を用いた場合、電流制御装置10は、定常光電流を発生させないで、電子スピン共鳴の有無を変化に起因する交流電流を十分に得ることができ、素子デバイス20の性能を向上させることができる。
FIG. 8 shows that when the
なお、上述した説明では、絶縁層23および/または絶縁層25を設けることによって定常光電流を抑制したが、絶縁層23、25を設けなくても、素子デバイス20を長期間大気に曝すことにより、定常光電流を抑制することができる。また、この場合、スパイク電流も増大させることができる。
In the above description, the steady photocurrent is suppressed by providing the insulating
電流制御装置10は、MARMと同様、磁性体と組み合わせてメモリとして用いることができる。MRAMでは、情報があるとき、磁場を印加することで磁性体に磁化を持たせて情報を蓄える。その情報を読み取るときは、磁化の下における電流値(抵抗)を、磁場が無い状態の電流値と区別することにより、2つの状態の区別を行う。電流制御装置10では、磁場の変化にもとづいて電流を制御可能であるため、電流を通して情報を読み取ることができる。また、マイクロ波による制御もできる。
The
また、電流制御装置10は、マイクロ波による遠隔制御の可能な光起電力素子として用いてもよい。あるいは、電流制御装置10は、マイクロ波または磁場をスイッチとして電流を制御できる。例えば、素子デバイス20に磁場形成部30からの磁場を作用させた状態で磁性体等を近づけることにより、電流制御装置10をスイッチ素子として用いることができる。また、電流制御装置10は、コンピュータ又は遠隔モニタリング又は通信機器などの電子情報処理に用いられる。
Moreover, you may use the
本発明によれば、さまざまな用途に適用可能な新規な電流制御を行うことができる。本発明の電流制御装置は、スイッチまたはメモリの作製に好適に用いられる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the novel current control applicable to various uses can be performed. The current control device of the present invention is suitably used for manufacturing a switch or a memory.
10 電流制御装置
20 素子デバイス
22 電極
24 電極
26 有機半導体層
26a バッファー層
26b 電子供与体
26c 電子受容体
26o 光電変換層
30 磁場形成部
40 マイクロ波照射部
DESCRIPTION OF
26 Organic semiconductor layer
Claims (15)
磁場およびマイクロ波による前記有機半導体層の電子スピン共鳴現象に関連して、前記磁場、前記マイクロ波および前記有機半導体層に照射される光の少なくとも1つを変化させることにより、前記第1電極と前記第2電極との間を流れる電流を制御する工程と
を包含する、電流制御方法。Preparing an element device having a first electrode, a second electrode, and an organic semiconductor layer located between the first electrode and the second electrode;
In connection with the electron spin resonance phenomenon of the organic semiconductor layer due to the magnetic field and microwave, by changing at least one of the magnetic field, the microwave and the light applied to the organic semiconductor layer, And a step of controlling a current flowing between the second electrodes.
前記素子デバイスの配置された空間に磁場を形成する磁場形成部と、
前記素子デバイスにマイクロ波を照射するマイクロ波照射部と
を備え、
前記磁場および前記マイクロ波による前記有機半導体層の電子スピン共鳴現象に関連して、前記磁場、前記マイクロ波および前記有機半導体層に照射される光の少なくとも1つを変化させることにより、前記第1電極と前記第2電極との間を流れる電流が制御される、電流制御装置。An element device having a first electrode, a second electrode, and an organic semiconductor layer located between the first electrode and the second electrode;
A magnetic field forming unit that forms a magnetic field in a space in which the element device is disposed;
A microwave irradiation unit for irradiating the element device with microwaves,
In relation to the electron spin resonance phenomenon of the organic semiconductor layer by the magnetic field and the microwave, the first magnetic field, the microwave, and the light applied to the organic semiconductor layer are changed, thereby changing the first. A current control device in which a current flowing between an electrode and the second electrode is controlled.
The current control device according to claim 9, wherein the microwave irradiation unit switches between irradiation and non-irradiation of the microwave.
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