電気泳動堆積法による高分子発光素子の高効率化技術の開発

電気泳動堆積法 による高分子発光素子 の高効率化技術 の開発
多 田和 也
兵庫県立大学大学院工学研究科電気系 工学専攻
〒6 7 1 - 2 2 8 0 兵庫県姫路市書写 2 1 6 7
ernitting devices
Dcvolopment ofhigh― efflciency technology:or polymcr light―
prepared by electrophoretic deposition
K筋 こ
uya TADA
Division of Electrical Enginccring,Univc碍1lr OfHyogo
2167 Shosha,Himtti,HyOgo 67卜
2280,Japan
E―
maili tada@eng.い
hyOgo.acjp
電性高分子薄膜 を電気泳動堆積法 で作製す る際
得 られた膜が級密かつ平滑であ り、そのまま金属
電極 を蒸着す る ことによってダイオ ー ドや トラ
の製膜過程 について基 礎的な知見を得 るため,い
ンジスタな どの素子が得 られるため、これ らの応
くつ かの実験的検討を行なった。1.Ogれと比較的
濃厚 な懸濁液 を用いた場合、電気泳動堆積時に流
用デ バ イ スを 指向 した研究 が数 多 くな されてい
る。 1,2)
れ る過渡電流波形 は平J!1部とそれ に続 く明峡 な
ス ピンコー ト法は発光素子や光起電力素子、あ
屈曲点で構成 されてお り、光キャリアの動的過程
る いは トラ ンジス タ として使用 す るのに適 した
数十 ∼数百 nmの 厚みを有する薄膜を簡便 に得 る
あ らま し 高 分子太 陽電池 な どに使用 できる導
oiFlight法 における
の研究 に用 い られ る Time―
もの と類似 したものであった。この屈曲点か ら電
気泳動移動度 を求めた ところ、μ=7x10‐5cm2/(v.
s)とい う値を得た。 また、懸濁液 に仕込んだター
ゲ ッ ト材料 が堆 積用 の電極上 に捕集 され る最終
的な割合 である材料効率を、堆積前後の懸濁液の
光吸収 スペ ク トルを測定する ことで求めた。その
ことができるため 、研究室 における素子の試作 に
広 く利用 されてお り、導電性高分子 のデバ イス応
用 の発展 に大 きな貢献 を果 た してい る ことは論
を待たない。 一方 で、 この手法 は数 gll以上 と比
較的濃厚な溶液を必要 とし、さらに基板上に載せ
た溶液の 90%以 上 と考 え られ る大部分 を回転時
結果、導電性高分子 の貧溶媒 を多 く含む懸濁液 の
に吹 き飛 ば して 無駄 にす る とい う欠点 を有 して
場合 に、95%以 上 とい う材料効率 の値を得た。
お り、実用デバ イスの生産には向かない。 また、
1 . は じめに
m以 下
単純な ドロ ップキャス ト法では厚みが l μ
一
の均 な膜を得 る ことが非常 に困難 である。
導電性高分子は溶媒 へ の可溶性を持 ち、また比
較的低温 で溶融する半導体材料 である ことか ら、
「
印刷 エ レク トロエ クス」材料 として最 も注 目を
一
集め ているものの つで ある。特に、溶液か らの
ス ピンコー ト法 や ドロ ップキ ャス ト法 によって
現在、 スクリー ン印刷法やイ ンクジェッ トプ リ
ン ト法な どの、商用印刷において確立 されている
技法 を有機 エ レク トロエ クスの分野 に持 ち込 む
研究 も盛んになされているが、前述の手法 に比 べ
て装置が比較的大掛 りな ものである場合が多 く、
及び性状 の導電性高分子溶液 を用いるため、これ
らに対する材料 ・機器両面か らの緻密な条件合わ
Dttute solutlon of
せが必 要 とな り、現在では大学 の一 研究室が機動
的 に取 り組む課題 とい うよ りも、太陽電池な どの
具体 的 なデ バ イスの商業化を見越 した大 規模 な
研究開発プ ロジェク トの対象 となってい る。 〕
このよ うな状況に鑑み、筆者は比較的簡便な装
置 で実現 可能 であ りなが らこれ まで有機 エ レク
トロエ クスの分野 ではあ ま り取 り上 げ られて こ
なか った電 気泳動堆積法を用 いて、導電性高分子
及びその複合体 の製膜 に取 り組んできた。特 に本
研究課題で は、高分子発 光素子 な どに適する薄膜
の作製 とい うことを念頭 においた条件化で,製 膜
導電 性高分子 の 製膜時 におい て観測 され る過渡
電流波形 と、材料効率 とい う二つの側面か ら製膜
過程を検討 した。
2,有 機 エ レク トロエ クスにおける電気泳動堆
積法
2.1 電
気泳動堆積法 の概要
電気泳動堆積法 による製膜については、初期の
学術報告 として 1940年 の Hamakerの ものが著
ある。つ
名 であ り、比較的長 い歴史を持 つ 分llTで
本手法 の原理は非常に単純 である。すなわち、図
1に 示 す よ うに 目的材料 の微粒子 を分散 媒 中 に
一
分散 させ た懸濁液中に 対 の電極を挿入 し、それ
らの間に適 当な電圧を印加す る。安定な懸濁液中
の微粒子 は表面電荷を持 っているため、その表面
電荷 の 極性 と反対方 向 の電極 の 方 向 へ 加速 され
(電気泳動)、電極 に到達 した微粒子は電極上 に
堆積する。 この よ うな単純な原理 であるにもかか
わ らず、現在 まで製膜過程の詳細 については不明
な点が多 く、活チとな検討がなされ続けて いる。5,0
導電 性高分子 を電気泳動堆積法 で製膜す る際 に
は、当然の ことなが ら、導電性高分子の微粒子の
懸濁液を用 い る。
ところで、筆者が しば しば受ける質問に,導 電
性高分 子 の 分野 で 古 くか ら用 い られて きた電解
重合法 と何が違 うのか 、 とい うものがある。そ こ
で,こ れ ら二者 の違いについて簡単 に述 べ てお く。
Pooi sottent
IAcetonilttle)
suspension oF
nler
cOnjugated poけ
一
中
]
]
]
]
]
巾
中
ん
]
的
︺
一
中
また従来 の 印刷用 イ ンクとは大 き く異な る材質
図 1 導 電性高分子 の電気泳動堆積法 の概要
電解重合法 と電 気泳動堆積法 の違 いは、端的 に
は 目的材料 の生 成 において電 気化学反応 を利用
するか否かであると言える。すなわち前者では電
気化学反応 によって 目的材料 であ る導電性 高分
子 の前駆体 (モノマー)を 高分子 に変換す る。 こ
の電気化学反応を引 き起 こす ため に電極 間 に与
えた電 位差を電極 の近傍 (分子 1個 のサイズ程
度)に 集中させる必要があるが、 このために支持
塩 を高濃度 に電解液 中 に導 入 してイオ ン伝導性
を持たせる。一方、電気泳動堆積法 では懸濁液 内
に存在 してい る 目的材料 を電極上 に移動 させ る
だけであ り、電位差 の集中 は必要な く、 したがっ
て基 本的 に分散媒 自体は絶縁体である。
しか しなが ら、現実の懸濁液では不純物 な どの
混入 によ り分散媒 が若干の導電性を持 つ な ど理
想的な系 となってお らず、これが電気泳動堆積法
におけ る製膜過程 の 詳細 な検討を困難 に してい
る一 因ではないか と考 え られる。また、自動車車
電
体 の防錆塗装な どの分野で実用化 されている 「
着塗装法」は、基本的には水の電気分解によ り生
ず る局所 的 な水素イオ ン濃度 の 変化 による塗料
の凝集を利用するものであ り、電気泳動堆積法 と
は製膜 メカニ ズムが本質的に異なるが 7,D、
当初電
泳動電着法」な どの名称
気泳動堆積法 と類似の 「
で紹介 されて い たため に現在 で も混乱が残 って
いるよ うである。9)
2.2 電
気泳動堆積法 による導電性高分子製膜
当初、導電性高分子 のナノ構造化薄膜 を作製す
るとい う日的で、電気泳動イた
積法 に注 ││した。導
電性高分子 の懸濁液 の 調製 につい ては色素増感
を持つ膜が得 られ る ことが最近 わか った。 1)こ
の理 由 としては、乾燥の過程 で良溶媒が濃縮 され、
微粒子間 の界面 が溶解す るためであ る と考 えて
いる。
3,製 膜時の過渡電流波形
lTO coated 91ass
P'ateS OTO inSide)
電界 によって電荷 を持 つ 微粒子 を移動 させ る
とい う基本原理か ら、製膜時に流れる電流波形は
微粒子 の運動を反映 した もの となるはずである。
そ こで、電気泳動堆積法 における製膜過程 を検討
す るにあたって、は じめに電流波形 に注 目した。
図 2(a)本 研究で用 いた薄層型 セルの模式図
(b)PDOF'MEHい アの分子構造
型太陽電池における C60ナノ微粒子の製膜な どの
報告 101Dを 参考 に、 目的材料 の トル エ ン溶液を
過剰量 のアセ トエ トリルに投入する、いわ ゆる再
沈法を利用する こととした。製膜手順及 び条 件 の
例を以下 に示す。濃度が lg/1と なるように導電
トル エ ン
性高分子 poly(3-octadecylthiophene)を
に溶解 したもの l mlと 、導電性高分子 の貧溶媒
であるアセ トニ トリル 9 mlを 混合する ことで、
分散媒をアセ トエ トリル :トル エ ン =9:1(容積比)
の混合物 とし、高分子濃度 が 0.l gllで
ある懸濁液
10 mlを 得 る。 これを液体 の光学測定 な どに用い
るガラスセルな どの容器 に充填 し、電極間隔が 5
mmと なるよ うに一対 の ITOガ ラス基板電極を
挿入する。電圧 100∼300Vを
電極間に数十秒印
す る。
加することによ り、負電極側 に高分子がlfl積
1カ以上 の ことか ら、 この高分子 の場合 は微粒子
負 に帯電する導電性高分子 も存在する。もちろん
宜調整する必要がある。
目的材料 の 微粒子 を電極 上 に集 めて製膜 す る
堆積 される電極の有効面積は lXl.5 cm2程 度で
あ る。 本 研 究 で 用 い た 導 電 性 高 分 子 で あ る
2,7‐
dioctyl‐
d ivinylenelluorenylene)‐
poly[(9,9‐
ethylhexyloxy)-1,4-phenyle
alt―
{2-methoxy‐5'(2‐
ne}](PDOF―
MEHPつ
の分子構造 も同図に示 した。
前述 のよ うに 、懸濁液 の調製 は再沈法 による。
10■
2,1)具体的 には、導電性高分子を トル エ ンに溶
解 した ものを導電性 高分子 に対 す る貧溶媒 であ
るアセ トエ トリル と混合 した。アセ トニ トリル と
トルエ ンの容積比を 1:1と し、高分子濃度を 1.0
g/1∼0.05g/1まで変化させた。 また電極間隔は 5
mmと し、この間に 100∼ 300Vの 電圧を印加す
ることで堆積を行 ない、電流波形を記録 した。な
0
の ことなが ら、電極間隔、印加電圧、高分子濃度、
分散 媒 の 組 成 な どの パ ラメー タは 目的 によ り適
のセルが適 している。 このため、図 2に 示すよう
な 2枚 の ITOガ ラス電極をシ リコンラバ ー で挟
み込んだ薄層型セルを作製 して使用 した。1つ膜が
石a一
岳﹂
﹂
5
︵
宝こ との
推0
が正に帯電することが分かるが、後述するよ うに
電流波形 を測定す るためには微粒子 の移動経路
がなるべ く単純で、また電界分布が一様 となる形
とい う本手法 の原理か ら予想 されるよ うに、得 ら
/ ヤ
m軒
、王縄↓
1_、
ェ
を
主=雌:」
れる膜は基本的にナノ多孔質 となる。しか しなが
Time(S)
ら、導電性高分子の良溶媒である トル エ ンを懸濁
液 中 に 多 く含 ませ る ことで級密か つ 平滑 な表 面
図 3
電気泳動堆積中に観測 される過渡電流
お、PDOF―MEHPVの
場合 は正電極側 に堆積する
一十一- 3 0 0 V
一一―- 2 0 0 V
‐―、- 1 0 0 V
ため、微粒子 は負に帯電 してい ることが分か る。
電流波形の例を図 3に 示す。高分子濃度 の増加に
伴 って電 流が増加 してお り、観測 された電流が懸
︼︶
ヽ
一
︵
一
以 上 の 条件 で得 られ た電気泳動堆積 時 の過 渡
PDOF一 MEH PV
濁液 中 の 微粒子 の運動 を反映 してい る と考 え ら
1 0 071 AN:T=515
れ る。また、特 に高分子濃度 1,Ogれの場合 の電 流
1・
)lTO(一 )iTO
波形 には 明瞭 な屈 曲点 を伴 う平坦部 が観測 され
る。この屈曲点の生 じる時間 と電圧の逆数 とをプ
ロ ッ トする と比例関係が得 られ、これは微粒子の
ドリフ ト移動過程 を反映 した ものである ことが
10静
10°
t/τ
101
図 4 用 曲点 の時間 「及び電流 拓の で規格化
した過渡電流
示唆される。即ち屈曲点 に相 当する走行時間 乞 電
さらに図 4に 示す ように、異なる印加電圧 にお
極間隔 互 F日
加電圧 アを用 いると、導電性高分子
微粒子 の電 気泳動移動度μはμ=♂ /(アうと表 さ
ける電 流波形 を屈曲点の時間及 び電 流 で規格化
する と、ほぼ単 一 の 曲線 に重なる とい うスケー リ
れ る。図 3に 示 した結 果 を代入する ことに よ り、
.s)と求め られた。1つこの値 は無
μ=7×105cm2/付
ング挙動が確認 された。 この挙動 はアモル ファス
機 セ ラ ミクス微粒子 におい て報 告 されてい るも
の と同様のオー ダー である。 16)
また、電極間隔を変 えなが ら同様の測定を行な
った ところ、2∼ 5 mmの 電極間隔 においてほぼ
同一 のμを与 える電 流波形が得 られ、 この ことは
過渡電流波形 におけ る屈 曲点が高分子微粒子 の
走行時間 に対応 す る とい うモデル の 妥 当性 を示
す もの と考 え られる。 1の
半導体や有機半導体 な どにおけ る過渡光電流 で
も兄 出 さ れ て い る も の で あ る が 、 Scherと
Montrollに よって単純な移流拡散モデル では再
現 で きな い こ とが 指 摘 され て い る。 1)■ me‐
oPFttght法で観測 される過渡光電流は、よ く知 ら
れ てい るよ うに絶縁体 中 に生 じた光キ ャ リアに
よって電極上 に生 じる影像電荷 に起 因す る もの
である。lD一 方、電気泳動堆積時に観測 される電
流 は、コロイ ド微粒子が電極 に到 達 した際 に電荷
図 3に 示 した過渡電流波形 は、アモル ファス半
的)
導体や有機半導体 な どにおける光キ ャ リア 18、
が中和 される ことに起 因す るもの と考 え られ る。
や炭化水素中の光励起イオ ン 20の 移動度を求め
ず共通 した挙動が観測 され る ことは 興味深 いが 、
Flight法で観測 され
る際に用 い られ る Time,o士
残念 なが ら現状 では後者 についての 明快 なモデ
る過渡光電流波形 とよ く似ている。 この分野 では、
ルを提示できていない。
この よ うに発生機構 が大 き く異 なるに も関わ ら
屈曲点が不明瞭 な場合 に、過渡電流波形を両対数
グラフ にプロ ッ トす る こ とで屈 曲点を強調 させ
4.材 料効率 の評価
前述 の よ うにス ピンコー ト法 による導電 性高
て特定する とい う解析法が使用 される。これに倣
い 、一連 の電 流波形 において高分子濃度 が 1,Og/1
分子 の製膜は簡便であるものの 、材料効率、すな
よ り低 い 場 合 に得 られた電流波形 を両対数 プロ
わち材料 の 仕込 み量 に対 す る膜 として基板上 に
ッ トした ところ、0.5及び 0.2g/1の波形 において、
残る量 の比が非常 に低 い とい う問題がある。 これ
屈曲点を見出す ことができた。そ の結果、高分子
に対 し、電気泳動堆積法では当初か ら十分に製膜
濃度 が低い ほ ど電 気泳動移動度 が高 くな る こと
が分かった。2Dこ の原因 としては、懸濁液中の高
時間を とった場合 に懸濁液 が殆 ど透 明 にな る こ
分子濃度 の 増加 と共 に衝突や乱流 の 影響 が よ り
が分かった。 しか しなが ら、本研究で対象 として
顕著 になるため、微粒子 の運動が阻害 される とい
いる ナ ノ構造化膜 は発 光素子や太陽電池 な どへ
うことが考 えられる。
の応 用を 目的 としてお り、膜厚が高 々数百 nmで
とが観察 されたため、材料効率が高い とい うこと
あ る上 に 多孔 質膜 であるため 、電 極上 に堆積 した
高分 子量 を直接 見積 もる こ とが難 しく、その定量
ざ
的 な評 価 は困難 であ る と考 えてい た。
しか しなが ら、前章 に記 した研究 を行 な ううち
O
に 、基板上 に堆積 した高 分子量 を測 るのではな く
半
阻
堆 積 後 に 懸 濁 液 中 に 残 存 した高 分子 を測 れ ば よ
O
い 、 とい う こ とに気 づい た。す なわち、堆積前後
範
差
PDOF一 MEHPV
で懸 濁 液 の 光 吸収 ス ペ ク トル が どの よ うに変 化
200V 0191
す るかを調 べ れ ば よい 。
この 目的 の ため、PDOF― MEHPVの
濃度 を 0.1
一
g/1で 定 とし、 アセ トニ トリル :ト ル エ ン比 を
9:1∼5:5と 変化 させ た懸濁液 を調製 し、電極 闇隔
5mmの
薄層型 セル を用 いて製膜 を行 な った。 そ
Acetonl声
l e Content(vol°
/o)
図 6:分 散媒 中 の アセ トニ トリル の 含有率 と材
料効率 との関係
の 際 、製膜 時1瑚を変 えなが ら、容器 内 に残存す る
の 比率 が高い場合 には 、90%を 超 える高い材料効
懸濁液 を採取 し、その光吸 収 ス ペ ク トル を測定 し
た。 2分
率が得 られ るが、アセ トニ トリル と トル エ ンが 同
図 5に アセ トニ トリル :トル エ ン=8:2の
量含 まれ る場 合 には 、材料効率 は 68%に 低下す る。
場合
また、堆 積時 の 印加電 圧 を上 げた場 合、堆積 は速
の 残 留懸濁液 の光 吸収 スペ ク トル を示 す。堆積 が
くなるが最終的 な材料効 率 は変 わ らない。以上 の
進 むにつれて PDOF‐ MEHPVの
HOMO― LUMO
遷移 に相 当す る 450 nm付 近 の光 吸収 が減少 して
お り、10秒 以 内で懸濁液 はほぼ透 明 とな る ことが
観測 され た。原液 と 10秒 間堆積後 の残留懸濁液
との吸 光度 の ピー ク値 はそれ ぞれ 0,68及び 0.027
結果 よ り、材料効率 は懸濁液 中 の 分散媒 に溶解 す
る高分子 の量 に よ り決定 され る と推測 され る。2〕
また ,こ の 研究 の 過程 で ,10 cm角 サ イズの ITO
ガ ラ ス基 板 上 の ほ ぼ全 面 に わ た って 均 一 な製 膜
を行 える ことを確認 した。 2"
で あ り、この 時 の 材料効率 は約 96%で ある と計算
5。 まとめ
され る。
分散 媒 中 の アセ トニ トリル の 含有 率 に 対 して
導電性高分子 を電 気泳動堆積 法 で製膜す る際
材 料 効 率 を プ ロ ッ トした もの を 図 6に 示 す 。
の基礎的 な知見を得 る ことを 目的 として行 な っ
貧 溶媒 で あ るアセ トニ トリル
た二種類 の研究 について報告 した。1.Og/1と比較
PDOF― MEHPVの
的濃厚 な懸濁液を用 いた場合 に電気泳動堆積時
に流れ る過渡電流波形は、明瞭な平坦部 と屈曲点
か らなっていた。この電流波形を懸濁液中の導電
0 0
00CGO﹂0の0<
性高分子微粒子 の ドリフ ト移動 を反映 した もの
と考 えることで、電気泳動移動度 を求めた ところ、
既報 のセ ラ ミックス微粒子 にお けるもの と同程
度 の値 が得 られた。
また、材料効率については、残留懸濁液 の光吸
400
450
500
550
600
Wavelength(nm)
650
700
図 5 : 種々の堆 積時間経過後 の懸濁液 の光吸収
スペ ク トル
収 スペ ク トルを使 うことで、作製 された膜の表面
モル フ ォ ロジー によ らず定量的 に求 め られ る こ
とが分か った。膜がナノ多子と質 となるような条件
である懸濁液 中 のアセ トニ トリル含有量が多 い
場合 には、90%を 超 える材料効率を得 ることがで
きた。 一 方 、平坦膜 が得 られ るよ うなア セ トエ ト
リル含有量 が少 ない条件 では、68%程 度 に低下す
る こ とが分か った。
(2000)4014.
13(2001)1614.
Kamat:Adtt Mateェ
現 在 、 これ まで主 な研究対象 と して きた発光素
子 に加 えて ,本 手法 を用 いて 作製 した導電性高分
子 とフ ラ ー レンの複 合 膜 を光起 電 力素 子 へ の応
用 す る こ とも試 みてい る。24,2'この よ うな ター ゲ
V
11)S.Barazzouk,S.Hotchandani andユ
da and M.Onoda:Adtt Funct.Mater.
12)K.監
12(2002)420,
13)K.Tada and M.OnOda:J,Phys,D42(2008)
032001.
ッ ト材料 を複数 含む懸 濁液 にお け る製膜過程 は、 14)K.Tada and M.OnOda:J.PhJrs.D42(2009)
一
132001.
単 材料 の 場合 に比 べ て よ り複雑 であるが 、応用
上重要 な課題 であ る とい える。本研究 で得 られ た
15)H.Kasai,Ho S.Nalwa,H.Oikawa,S.
知 見を基 に して 、 この よ うな系 につ いて も詳 しく
調 べ てい きた い と考 えてい る。
Okada,H,Matsuda,N.Minami,A.Kakuta,
K.Ono,A,Mukoh and H.Nakanishi:Jpn.J.
Appl.Phys,31(1992)Ll132.
謝
16)Y Fukada,N.Nagarttan,W Attkk】
辞
H.―
本研究は (財)高 柳記念電子科学技術振興財団
の助成を受 けて実施 しま した。ここに記 して謝意
を表 します。
Y Bao,
S.掩 m,and n S.Nich01sOn:J.MateL
Sci.39(20041787.
17)K,Tada and M.Onoda:Physics Proceha,
14(2011)58.
文
商 伏
1 ) 吉 野 勝 美 : 導 電 性 高 分 子 の は な し, 日 刊 工 業
新 聞 社 (2001)
クス , コ ロ ナ社 ( 1 9 9 6 )
Fyenbo,K.Larsen,」
n Schmidt,G.Bakale,A.Khrapak and
K.Yoshino:」
D.Nielsen,J
4)H, C,Hamaker: 船
.Soc.Elect,馳 Iato Eng,10
(2010)19.
21)K.Tada andヽ
.Kristenseni Sol,Ene上
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江.Onoda:Jpn.J.Appl.Phys,
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ans.Farad.Soc.36
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9)(財 )電気 技 術 者 試 験 セ ン タ ー :平 成 17年 第 三
種 電 気 主 任 技 術 者 試 験 「機 械 」 間 12(こ
の
設 間 は両 者 を 混 同 して い る と考 え られ る。 )
10)ユ V Kamat,S.Barazzouk,K,G.Thomas,
and S.Hotchandani:J.Phys,Chem.B104