熱電発電に用いられる熱電変換材料には、ゼーベック係数(熱起電力)と電気伝導率が高く、熱伝導率が低いことが求められます。そのような材料として、従来は無機物が研究対象とされてきましたが、我々は低分子有機物に注目して熱電特性を調べています。低分子有機物は、熱伝導率が低く、軽量で柔軟である特長を持っていることから、薄膜化することで高性能のフレキシブルな熱電デバイスを作製できる可能性があります。ただし、低分子有機物の多くは電気伝導率が低いため、キャリア密度あるいはキャリア移動度を向上しなくてはなりません。

低分子有機物の中で比較的電気伝導率が高いものとして、テトラチアフルバレン-テトラシアノキノジメタン(TTF-TCNQ)があります。これまでTTF-TCNQ単結晶の熱電性能が測定されており、結晶構造の異方性を反映して、電気伝導率はa軸・c軸方向よりb軸方向の方が高いことが報告されていました。また、TTF-TCNQは電気伝導キャリアとして電子と正孔の両方を持っており、a軸方向ではゼーベック係数が正の値を示すのに対し、b軸方向では負の値を示します。

我々はTTF-TCNQ薄膜をガラス基板上に作製しました。TTF-TCNQ薄膜の表面観察を行ったところ、右図(上)のように、短冊状の微小なTTF-TCNQ単結晶がガラス基板から草のように生い茂って成長していることがわかりました。短冊の長手方向がb軸方向、短手方向がa軸方向です。b軸方向の高い電気伝導率を利用するには、微小単結晶のb軸がガラス基板に平行になっていることが望まれます。そこで、ガラス基板をラビングした後にTTF-TCNQ薄膜を成膜したところ、表面が極めて平坦になることがわかりました(右図(下))。微小単結晶のb軸は薄膜面内でランダムな方向を向いていますが、配向性が向上して電気伝導率は10倍高くなり、熱電性能を向上することができました。

このように配向性の制御は低分子有機薄膜の熱電性能に密接に関係しています。 現在、我々は高配向有機薄膜を用いたフレキシブルな熱電デバイスの発電性能の評価を進めています。