Exploration of delocalized Frenkel excitons at well-ordered organic semiconductor donor-acceptor heterojunctions exhibiting the band transport

• Project Area: Dynamic Exciton: Emerging Science and Innovation
• Project/Area Number: 21H05405
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 中山 泰生 東京理科大学, 理工学部先端化学科, 准教授 (30451751)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: バンド分散 / 角度分解光電子分光法 / 電子エネルギー損失分光法 / エピタキシャル成長 / 時間分解発光分光

Outline of Research at the Start

分子配列の乱れが多い一般的な有機半導体固体では荷電キャリアやエキシトンは分子に強く束縛され局在化しているが，分子が高秩序に整列したバンド伝導性単結晶有機半導体では，電子状態は個々の分子軌道の枠を超えたブロッホ波として『非局在化』し得る。非局在化はキャリア・エキシトンの輸送効率を劇的に向上させるだけでなく，両者の変換効率をも改善させ得ると考えられる。本研究では，半導体p-n接合を有機半導体において理想化したモデル系である『単結晶エピタキシャル有機半導体ドナー・アクセプター界面』を対象として，荷電キャリア非局在性の定量評価とエキシトン非局在性の統合的解明に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

電子状態の『非局在化』は半導体光エレクトロニクスの駆動効率を最大化するための必要条件であり，電子状態を非局在化させるには高秩序な分子配列が不可欠である。一方，有機半導体におけるキャリア・エキシトン変換には異種分子によるドナー・アクセプター(D・A)界面の存在が必要とされる。本研究課題は，分子単結晶表面上にエピタキシャル成長させた『単結晶エピタキシャル有機半導体D・A界面』を舞台として，そこに現れる非局在化キャリア・エキシトンの物性を究明することを目的としたものである。
キャリア・励起子の非局在化状態を最大化するためには，欠陥密度を可能な限り低減した高秩序な単結晶有機半導体D・A界面試料が必要となる。本研究では，窒素置換グローブボックス(GB)を所属機関に新規導入し，これを有機単結晶製造装置と直結することで，不純物生成を排した高純度単結晶有機半導体基板の製造が可能となった。その上に高真空環境下で高純度な単結晶有機半導体D・A界面試料を積層し，高輝度かつ高指向性のシンクロトロン放射光施設(SPring-8)を利用した実験により界面結晶構造の精密評価を進めた結果，高秩序構造を実現する「準ホモエピタキシャル接合」の提唱などの成果が得られた。
キャリアの非局在化は，角度分解光電子分光による電子バンドの運動量―エネルギー分散関係計測により実証することができる。研究代表者は，過去に角度分解光電子分光計測の単結晶有機半導体D・A界面試料への適用に成功した実績を有している。本研究では，上述した有機半導体の「準ホモエピタキシャル接合」試料に対する電子バンド計測を実施し，基板となっている単結晶有機半導体だけでなく，積層材料の結晶薄膜においても電子バンド分散が生じていることを示唆する結果を得ている。今後，再現性確認のための実験と詳細なデータ解析を進めていく。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Carbazole‐Dendronized Luminescent Radicals (2023)
  • Author(s): Xiaotian Rui、Ota Wataru、Sato Tohru、Furukori Minori、Nakayama Yasuo、Hosokai Takuya、Hisamura Eri、Nakamura Kazuhiro、Matsuda Kenshiro、Nakao Kohei、Monkman Andrew、Albrecht Ken
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: － Issue: 28
  • DOI: 10.1002/anie.202302550
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-throughput transient photoluminescence spectrometer for deep learning of thermally activated delayed fluorescence materials (2023)
  • Author(s): Furukori Minori、Nagamune Yasushi、Nakayama Yasuo、Hosokai Takuya
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry C Volume: 11 Issue: 13 Pages: 4357-4364
  • DOI: 10.1039/d3tc00482a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Analysis of Interface Crystal Structures of Pentacene Thin Films on the C₆₀(111) Surface (2022)
  • Author(s): 遠藤 豪太、北江 泰隆、鶴田 諒平、笠松 昂平、染谷 大地、伊藤 航世、クマーラ ロシャンタ、小金澤 智之、中山 泰生
  • Journal Title: SPring-8/SACLA Research Report Volume: 10 Issue: 4 Pages: 386-391
  • DOI: 10.18957/rr.10.4.386
  • ISSN: 2187-6886
  • Year and Date: 2022-08-31
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ‘Molecular Beam Epitaxy’ on Organic Semiconductor Single Crystals: Characterization of Well-Defined Molecular Interfaces by Synchrotron Radiation X-ray Diffraction Techniques (2022)
  • Author(s): Nakayama Yasuo、Tsuruta Ryohei、Koganezawa Tomoyuki
  • Journal Title: Materials Volume: 15 Issue: 20 Pages: 7119-7119
  • DOI: 10.3390/ma15207119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermally activated delayed fluorescence of carbazole-benzophenone dendrimers with bulky substituents (2022)
  • Author(s): Albrecht Ken、Hisamura Eri、Furukori Minori、Nakayama Yasuo、Hosokai Takuya、Nakao Kohei、Ikebe Hiroki、Nakayama Akira
  • Journal Title: Polymer Chemistry Volume: 13 Issue: 16 Pages: 2277-2284
  • DOI: 10.1039/d2py00255h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quasi-Homoepitaxial Junction of Organic Semiconductors: A Structurally Seamless but Electronically Abrupt Interface between Rubrene and Bis(trifluoromethyl)dimethylrubrene (2021)
  • Author(s): Takahashi Kana、Izawa Seiichiro、Ohtsuka Naoya、Izumiseki Atsuto、Tsuruta Ryohei、Takeuchi Riku、Gunjo Yuki、Nakanishi Yuki、Mase Kazuhiko、Koganezawa Tomoyuki、Momiyama Norie、Hiramoto Masahiro、Nakayama Yasuo
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 12 Issue: 46 Pages: 11430-11437
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c03094
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 有機半導体結晶の価電子バンド計測 (2023)
  • Author(s): 中山泰生
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 銅フタロシアニン単結晶上に作製したp-nヘテロ界面の結晶構造 (2023)
  • Author(s): 中西優生，伊藤航世，宮本淳之介，小林俊稀，杉村理恵，宮田哲，ロシャンタ クマーラ，小金澤智之，中山泰生
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ジナフトチエノチオフェン単結晶上にペリレン誘導体を積層したヘテロ界面の結晶構造評価 (2023)
  • Author(s): 伊藤航世，中西優生，杉村理恵，伊澤誠一郎，平本昌宏，クマーラ ロシャンタ，小金澤智之，中山泰生
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 銅(II)フタロシアニン単結晶上に作製したp-nヘテロ界面の結晶構造評価 (2023)
  • Author(s): 中西優生，伊藤航世，宮本淳之介，小林俊稀，杉村理恵，宮田哲，中山泰生，ロシャンタ クマーラ，小金澤智之
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] Epitaxial Organic Molecular Interfaces as Well-ordered Model Systems for Molecular Semiconductor p-n Junctions for Optoelectronic Applications (2022)
  • Author(s): Yasuo Nakayama
  • Organizer: 241st ECS Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 有機半導体分子間の高秩序な界面の形成と電子構造計測 (2022)
  • Author(s): 中山泰生
  • Organizer: 高分子学会 有機エレクトロニクス研究会 22-2研究会
  • Invited
• [Presentation] Angle-Resolved Photoluminescence Measurements of Rubrene Single Crystals to Study the Exciton Energy Dispersion (2022)
  • Author(s): Shunki Kobayashi, Yasuo Nakayama, Takuya Hosokai
  • Organizer: 241st ECS Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] エピタキシャル成長による高秩序な有機半導体p-nヘテロ接合の構築 (2022)
  • Author(s): 中山泰生
  • Organizer: 2022年光化学討論会
• [Presentation] ペンタセン単結晶の遠赤外から中赤外領域における赤外吸収分光とその温度依存性 (2022)
  • Author(s): 宮本淳之介，山内要，杉山侑，田中清尚，中山泰生
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ジナフトチエノチオフェン単結晶上にC60を積層したヘテロ界面の結晶構造評価 (2022)
  • Author(s): 伊藤航世，竹内陸，山内要，中西優生，伊澤誠一郎，解良聡，平本昌宏，クマーラ ロシャンタ，小金澤智之，中山泰生
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ペンタセン単結晶の遠赤外から中赤外領域における赤外吸収分光測定 (2022)
  • Author(s): 宮本淳之介，山内要，杉山侑，田中清尚，中山泰生
  • Organizer: UVSORシンポジウム2022
• [Presentation] 「準ホモエピタキシャル」成長による高秩序な単結晶有機半導体ヘテロ接合の形成 (2022)
  • Author(s): 中山泰生，高橋加奈，小金澤智之，大塚尚哉，椴山儀恵，伊澤誠一郎，平本昌宏
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Remarks] 研究代表者主宰研究室のホームページ
  • URL: https://www.rs.tus.ac.jp/oml/index.html
• [Remarks] 研究成果に関する所属機関からのプレスリリース（日本語）
  • URL: https://www.tus.ac.jp/today/archive/20220201_3250.html
• [Remarks] 研究成果に関する所属機関からのプレスリリース（英語）
  • URL: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/archive/20220112_3221.html