（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 30 年度 学術利用 成果報告書

利用課題名 高性能ポリマーエレクトレット材料の開発
英文：Development of High-performance Polymer Electret

利用課題責任者
鈴木 雄二
所属
東京大学 工学系研究科 機械工学専攻
https://www.u-tokyo.ac.jp/
邦文抄録
アモルファスフッ素ポリマーエレクトレットの電子親和力を評価するため，ソリッドステート量子化学計算を行った．密
度汎関数理論計算で得られる単分子エネルギーに，多極子作用エネルギーを補正項として考慮することで個体アモルファスポリマー系における電子親和力を計算した．得られた電子親和力は，測定値と誤差範囲内で一致し，当手法の有効性を示した．
英文抄録
A solid-state quantum chemical analysis is performed to quantitatively calculate amorphous
fluorinate polymer electret. Solid state molecular energy is calculated by density functional theorycalculation and correction term acknowledging multipole-multipole interaction of charge trap site andneighboring system. Obtained electron affinity made quantitative agreement with experimental result,indicating the present method reflects well for the amorphous polymer electret system.

Keywords: Dielectric, Electret, Quantum Chemistry, Solid-state analysis, Multipole
背景と目的主鎖と量末端の官能基で構成されている．Fig. 1.に主エレクトレットとは，電荷を打ち込んだ誘電体のことで鎖の単位体と末端官能基を表す．CYTOP のエレクトレある．誘電体に保持された電子/イオンは，特立的に静ットとしての性能は，末端官能基に強く依存する [1]．

電場を形成させることができる．エレクトレットを用いた

近年，著者らは，長距離補間密度汎関数理論計算

振動発電器は，身の回りの振動を効率よく電力に変換(LC-DFT)とクープマンの定理を用いて CYTOP の電でき，ウェアラブルデバイスや無線センサーの動力源と子親和力を計算した [2]． 計算で得られた電子親和して注目を浴びている．発電機の実用化のためにはよ

力は，材料のエレクトレットとしての物性(表面電荷密度，り多くの電荷を，長期間安定的に保持できるエレクトレ

電荷熱的安定性)と定性的に一致した．しかし，低エネットの開発が必要である．高性能エレクトレットとして注

ルギー逆光電子分光法(LEIPS)で測定された電子親目を浴びている CYTOP CTX (AGC Inc.)は，アモルフ和力に比べると 1 eV 程度の過大評価傾向があること

ァスフッ素ポリマーであり，全フッ化した分子量 30 万のがわかった． 過大評価の原因は，分子を現実の個体系とは違う 0 K の真空状態において計算したためであると考えられた．
当研究では，CYTOP エレクトレットの電子親和力を定量的に評価することを目標とする．電子をトラップする分子のみならず，分子を囲う個体分子系の影響を考慮する Solid state 電子親和力計算を行った．
概要
CYTOP 分子系を再現するため，分子動力学(MD)シFig. 1. Chemical structure of CYTOP series.

ミュレーションを行う．力場は，MD シミュレーションが量（様式 20）成果報告書
子力学(QM)計算と類似な挙動をするようにフィッティン計算することができることを示した．

グした OPLS-AA を用いる．CYTOP 分子系は，実際まとめ、今後の課題分子の単位体と末端基の比率を保つため， CTX-S のCYTOP エレクトレットの電子親和力を定量的に評価す

6 量体を 89 個，CTX-X (X=S, A, M)の 6 量体を 1 個るため，分子動力学，量子化学計算，多極子展開の計で作成した．1,000 K で ランダムで混合して 1,000 個算を通じて，CTX-S, CTX-A, そして CTX-M の solidのランダムな初期構造を作成した後，系の圧力を 1state 量子化学計算を行った．計算によって求まった電atm に保ちながら 300K まで冷やし，実際のアモルファ子親和力は実験値と定性的/定量的に一致し，本手法

ス系を再現した (使用ソフト: Gromacs 4.5 [3])．分子を用いてエレクトレットの性能をより正確に予測できるこのエネルギーは，3 つの項を計算することによって求めとを示した．今後の研究においては，本手法を用いてよら れ る . 第 一 の 項 は QM エ ネ ル ギ ー で あ り ，り多くの電荷を，長期間安定的に保持できるエレクトレ

CAM-B3LYP/6-31+g(d,p)のエネルギー計算で求まるット材料を探索し，開発することを目標とする．

(使用ソフト: Gaussian16 [4])．第二は静電エネルギー

謝辞補正項である．QM 計算で求まった波動関数を 1-4 ラン

本研究は、JST CREST, JPMJCR15Q3 の支援を受クの多極子に変換する (使用ソフト: GDMA [5])．電子けたものである.

トラップ分子を囲う周り分子からの影響は，多極子同士

参考文献の相互作用を計算することで求まる．第三は誘導多極[1] K. Kashiwagi et al., “Nano-cluster-enhanced子補正項である．系に存在する分子は互いに静電的にhigh-performance perfluoro-polymer electrets for相互作用し，多極子を変化させる．第二，第三項はenergy harvesting”, J. Micromech. Microeng. 21,

Votca-CTP を用いて計算した [6]．これらの考慮により(2011), 125016

求まった分子のエネルギーを，中性状態(0)と負帯電状[2] S. Kim et al., “Effect of End Group of態(-1)状態において計算し，その差分で solid state 電Amorphous

子親和力を計算した．

Electron Trapping”, Sci. Technol. Adv. Mater., 19,

結果および考察(2018), 486-494.

CTX-A, CTX-S, CTX-M の，各 1,000 ケースにおいて[3]求まった電子親和力でヒストグラムを取り，状態密度

high-throughput and highly parallel open source(DoS)を得る (Fig. 2.)．得られた DoS は正規分布の形

molecular simulation toolkit”, Bioinformatics, 29,をしていて，その中央値は 3.41 eV (CTX-S), 3.94 eV(2013) 845-854.

(CTX-A), そして 4.56 eV (CTX-M)である.計算によっ[4] M. J. Frisch et al., “Gaussian 16, Revisionて求まった CTX-S の電子親和力は，LEIPS 測定によっB.01”, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2016.て測定された値（3.6 eV）と測定誤差範囲内で一致し，[5] A. J. Stone, “Distributed Multipole Analysis:

本計算がより正確にエレクトレット分子の電子親和力をStability

Density of State [-]

2.0
1.5

Pronkfor

etLargeal.,

Electrets“GROMACSBasis

Sets

4.5:

on

A

Distributed

Multipole Analysis: Stability for Large Basis
EAsol CTX-S

EAsol CTX-A

EAsol CTX-M

4.56 eV

3.41 eVSets”, J. Chem. Theory Comput., 1 (2005)
1128-1132.

3.94 eV[6] V. Rulhe et al., “Microscopic simulations of

1.0

charge

0.5
0.0
2.5

S.

Perfluoro-Polymertransportindisorderedorganicsemiconductors”, J. Chem. Theory Comput., 7,
3.0

3.5
4.0
4.5
5.0
Electron Affinity [eV]5.5

Fig. 2. Solid state electron affinity of CYTOP
series.

(2011), 3335-3345.