令和7年度に未来社会デザイン統括本部から海外渡航支援を受けた本学学生（総合理工学府化学・物質理工学メジャー）の活動報告を掲載します。
海外の研究者との交流を通じ、今後のキャリア形成においても有意義な、多くの収穫があった海外研修となったようです。
脱炭素ユニット 光化学技術創成グループ
学生活動支援–海外研修成果報告書
「ドイツ・アウクスブルク大学での活動報告」
九州大学 総合理工学府化学・物質理工学メジャー 博士課程2年
廖張程
※以下は提出された報告書を日本語に機械翻訳したものです。内容に相違がある場合は、原文（英語）が優先しますことをご了承ください。
活動報告書
活動名称
アウクスブルク大学での研究滞在 – 有機薄膜における自発的配向分極
所属・学年・氏名
九州大学 総合理工学府
博士課程 2年
Zhangcheng Liao（リャオ・ジャンチェン）
渡航期間
2025年8月20日 ～ 2025年10月15日
渡航先・研究室名
ドイツ・アウクスブルク大学
Wolfgang Brütting教授研究室
研究課題
電子輸送用途に向けた有機薄膜における自発的配向分極（SOP）と温度依存性の研究
アウクスブルク大学での研究滞在 – 有機薄膜における自発的配向分極
2025年8月20日から10月15日までの2か月間、九州大学のKen Albrecht教授およびアウクスブルク大学のWolfgang Brütting教授の指導のもと、ドイツ・アウクスブルク大学にて研究滞在を行いました。主にBrütting研究室のDr. Albin Cakajの実験指導のもとで研究を進めました。
この滞在の目的は、アモルファス有機薄膜における自発的配向分極（SOP）の研究を深めることでした。SOPは、有機光電子デバイスの内部電場や電荷注入効率に大きな影響を与える現象です。本研究では、分子構造、成膜速度、温度が配向誘起表面ポテンシャルの形成にどのように関与するかを理解し、これらの微視的分極効果を実用的なデバイス応用に活用する可能性を探りました。
また、日々の技術的な議論や測定結果の比較を通じて、九州大学Albrecht研究室とアウクスブルク大学Brütting研究室との連携を強化することもできました。
実験内容と成果
滞在中、熱蒸着法により一連の薄膜を作製し、複数の補完的な手法で解析を行いました。
- Kelvinプローブ（KP）測定
シリコン基板上で巨大表面ポテンシャル（GSP）を評価。低温で成膜したアモルファス膜では、150 mV/nmを超える正のポテンシャル勾配が観測されましたが、高温では配向がほぼ消失。これは、成膜時の運動条件によってSOPの方向と大きさが調整可能であることを示しています。 - エリプソメトリー測定
光学定数（n, k）を評価し、分子配向が屈折率異方性に与える影響を調査。加熱ステージを用いたガラス転移温度（Tg）解析では、材料が130～150℃までアモルファス状態を維持し、高温で分子の移動性が増すことで配向分極が部分的に緩和されることが分かりました。 - 高Tgデンドリマー型材料の評価
約400℃の坩堝温度で成膜。分子の剛性や分岐構造が膜の形態や分極の安定性に与える影響を調査。かさばった構造にもかかわらず、安定したポテンシャル勾配が観測されました。 - PLおよび角度依存PL（ADPL）測定
ガラス基板上に成膜した二層構造を用いて、光放出の方向性や界面エネルギーとの相関を調査。これらの補完的な実験により、SOPが光学的・電子的挙動に与える影響を理解することができました。
滞在の終盤には、九州とアウクスブルク両研究室で継続的に使用可能な統一測定プロトコルを確立しました。
滞在の意義と今後の展望
この海外滞在は、科学的にも個人的にも非常に有意義な期間となりました。
科学的には、物理測定が分子設計とマクロなデバイス性能をどのように結びつけるかを深く理解することができました。Dr. Cakajとの日々の議論やBrütting教授からの定期的なフィードバックを通じて、KPデータの微細な変化の解釈、エリプソメトリーのパラメータと分子配向の関係、異なる装置間での実験信頼性の評価方法などを学びました。
また、アウクスブルクでの生活を通じて、新しい文化や言語への適応力を身につけることができました。研究室メンバーの温かい支援により、日常生活も快適に過ごすことができました。科学・日常の両面で英語でのコミュニケーションを経験し、国際的な研究環境での自信も得られました。
今後は、今回の滞在で築いた共同研究をデバイスレベルの研究へと発展させ、SOPの強度と電流–電圧特性や発光安定性との直接的な関係を探っていく予定です。このプログラムを通じて得た知識と経験は、実験技術の向上だけでなく、研究者としてのビジョン形成にも大きく貢献しました。分子設計と配向制御を融合させた次世代の省エネルギー有機材料の開発に貢献していきたいと考えています。
Activity Report
Title of the Activity (活動名称)
Research Stay at Universität Augsburg – Spontaneous Orientation Polarization in Organic Thin Films
Affiliation / Year / Name (所属・学年・氏名)
Interdisciplinary Graduate School of Engineering Sciences, Kyushu University
PhD Program, 2nd year
Zhangcheng Liao
Travel Period (渡航期間)
August 20, 2025 – October 15, 2025
Host Institution / Laboratory (渡航先・研究室名)
University of Augsburg, Germany
Prof. Wolfgang Brütting’s Group
Research Theme (研究課題)
Study of spontaneous orientation polarization (SOP) and temperature dependence in organic thin films for electron-transport applications.
Research Stay at University of Augsburg – Spontaneous Orientation Polarization in Organic Thin Films
From August 20 to October 15, 2025, I conducted a two-month research stay at the University of Augsburg in Germany under the supervision of Prof. Ken Albrecht (Kyushu University) and Prof. Wolfgang Brütting. My work was mainly carried out under the experimental guidance of Dr. Albin Cakaj in the Brütting Group. The purpose of this stay was to deepen my study of spontaneous orientation polarization (SOP) in amorphous organic thin films—an effect that can strongly influence the internal electric field and charge-injection efficiency of organic optoelectronic devices. The project aimed to understand how molecular structure, deposition rate, and temperature determine the formation of orientation-induced surface potentials, and how these microscopic polarization effects could be utilized for practical device applications. Besides the experiments, this stay also helped to build a closer connection between the Albrecht Group in Kyushu and the Brütting Group in Augsburg through daily technical discussions and comparison of measurement results.
Photo 1: The KP tip positioned close to the sample surface during measurement.
During the stay, a series of thin films were prepared by thermal evaporation and analyzed using multiple complementary techniques. Kelvin-probe (KP) measurements were performed on silicon substrates to evaluate the giant surface potential (GSP) as a function of film thickness and deposition temperature (Photo 1: The KP tip positioned close to the sample surface during measurement). Distinct temperature-dependent behavior was observed: at low deposition temperatures, certain amorphous films showed large positive potential gradients exceeding roughly 150 mV nm⁻¹, whereas at elevated substrate temperatures the orientation almost disappeared. These findings confirmed that the direction and magnitude of SOP can be tuned by the kinetic conditions during film formation. In parallel, ellipsometry was used to characterize the optical constants (n, k) and to explore how molecular orientation affects refractive-index anisotropy (Photo 2). The same setup, equipped with a heating stage for glass-transition (Tg) analysis, revealed that the materials remained amorphous up to about 130–150 °C, and that molecular mobility at higher temperatures led to partial relaxation of orientation polarization. In addition to the isomeric compounds used as reference systems, I also examined a dendrimer-type material possessing a higher Tg and excellent thermal durability. Its deposition required crucible temperatures around 400 °C, which provided useful insight into how molecular rigidity and branching influence film morphology and the stability of built-in polarization. Despite its bulky structure, the dendrimer film still showed a measurable, stable potential gradient (Photo 3–4), suggesting that high-Tg materials can sustain SOP if the molecular dipoles are appropriately arranged. To further verify the effect of orientation polarization on optical and electronic behavior, I fabricated bilayer structures and performed photoluminescence (PL) and angle-dependent PL (ADPL) measurements on films deposited on glass substrates (Photo 4). These complementary experiments helped me understand how SOP correlates with light-emission directionality and interface energetics. Throughout the experiments, careful attention was paid to film uniformity, reproducibility, and data consistency so that the results obtained in Augsburg could be directly compared with those measured previously in Fukuoka. By the end of the stay, I had established a unified measurement protocol that can be continuously used by both laboratories to promote further joint research on orientation-polarized organic semiconductors (Photo 1–4).
(Photo 2: Ellipsometry system with heating stage for Tg measurements.)
(Photo 3: ADPL measurement setup in glovebox)
This overseas stay became an important period of both scientific and personal growth. Scientifically, it broadened my understanding of how physical measurements link molecular design to macroscopic device performance. Through daily discussions with Dr. Albin Cakaj and regular feedback from Prof. Brütting, I learned how to interpret subtle changes in Kelvin-probe data, connect ellipsometric parameters to molecular orientation, and evaluate experimental reliability across different instruments. The well-equipped laboratory environment allowed me to explore various techniques—such as impedance analysis, optical modeling, and temperature-controlled deposition—that I had only partially used before in Japan. This experience will be highly valuable as I continue my doctoral research in the Albrecht Group. Outside the laboratory, living in Augsburg gave me practical experience in adapting to a new culture and language. The warm support of group members made everyday life much easier and more enjoyable. Communicating in English about both science and daily matters also helped me gain confidence in working within an international research environment. Looking ahead, I plan to extend the collaboration established during this stay toward device-level studies that directly link SOP strength with current–voltage behavior and emission stability. The knowledge and experience gained through this program have not only improved my experimental skills but also shaped my vision as a researcher—to contribute to the development of functional organic materials that combine molecular design with controlled orientation for next-generation energy-efficient devices.
(Photo 4: Sample storage and prepared thin films)
