第一原理計算を用いたポリエチレン/MgO界面の電子状態の評価

摘要

本稿では前半部において、ミクロな視点から（よく定義されていて、定量的に第一原理的に算出することができるミクロな物理量を用いて)ナノフィラーを添加することによつてどのような効果によってポリマー中の電荷の輸送·蓄積特性が変化するか定量的に評価した。その結果、間接的な効果によってポリマーの高次構造が変化する、あるいはポリマーの配座が変化し再配向エネルギーと標準自由エネルギー差が変化する場合と、直接的な効果によってフィラーに電荷がトラップされる場合のどちらもー般には無視できないことがわかった。ただ、間接的な効果はPEのような均一な分子鎖の場合で顕著になり、PETのような電荷局在領域が分子鎖の化学的な性質によって決まる材料ではあらわれないことが予想された。後半では前半に予想された直接的な効果の影響を第一原理的に評価すべくMgO/PEをモデル系として界面幾何構造や電子状態を調査した。ポリマーにフィラーを入れたとして、(a)そもそも電荷はフィラーによつてトラップされるのか？(b)電荷はフィラーの(分子原子レベルで)「どごに」トラップされるのか？という問いに対してはMgO/PE系の場合は少なくとも正孔はMgO最表面近傍のMgO/PE界面に蓄積され、そのトラップ深さは1eV以上という大きな値をとることが明らかになった。また、フィラー表面の面方位によって界面の電子•幾何構造が異なり、結果として電荷トラップ性能が変化すること、界面修飾によってこれを変化させられることが明らかになった。本研究で扱ったPE/MgO系の場合、MgOのバンドギャップが7.8eVとPEのそれ(8eV程度)と同程度なため、電荷がMgOに蓄積しうることを示したことは意義深いものの、そこまで驚くことではない。今後はさらにバンドギャップの大きいSiO_2とPEの界面あるいは、SiO_2とバンドギヤップの小さい絶縁性ポリマーであるエポキシなどの組み合わせでどのような界面電子状態を示すか調査する予定である。また、その他の面方位や表面修飾に関する検討も行われることを期待する。