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2015 Fiscal Year Annual Research Report

分光学的アプローチによる有機半導体におけるキャリア輸送機構の評価

Research Project

Project/Area Number 15H03971
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

間中 孝彰  東京工業大学, 理工学研究科, 准教授 (20323800)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 岩本 光正  東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (40143664)
Project Period (FY) 2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords有機デバイス / 分光測定 / 光第二次高調波発生 / 蛍光 / キャリア輸送 / ポンププローブ分光 / 電荷変調分光
Outline of Annual Research Achievements

近年、新しいプロセスの開発などにより単結晶材料のデバイスへの応用が再び脚光を浴びているが、単結晶材料におけるキャリア輸送機構の研究は依然として重要な位置を占めている。本研究では、分光学的アプローチから、電荷分布や電界分布を可視化することで、単結晶薄膜や高配向薄膜におけるキャリア輸送機構を明らかにすることを目的としている。本年度は、低分子系単結晶性薄膜における移動度向上を目指した製膜条件の最適化から行った。また、電荷・電界存在下における蛍光強度減衰を利用することで、発光性有機半導体薄膜におけるキャリア輸送評価が可能であることが実験的に示されたため、新しいキャリア輸送評価法の確立を目指し、この現象の詳細を検討した。
有機単結晶は無機結晶と比較して、ファンデルワールス結合による弱い分子間相互作用が特徴である。このことは、有機結晶がそれほどリジッドでないことを示しており、製膜条件を調整することによる結晶構造を制御が期待できる。ここでは、TIPS pentaceneを材料として、ブレードコート法の製膜条件を変え、移動度がどのように変化するかを検討した。その結果、特定のブレード移動速度において移動度が最大となり、その条件では結晶中の移動度異方性も大きくなることが明らかとなった。これらの移動度異方性については、時間分解SHG法により評価を行った。
蛍光減衰法の検討に関しては、蛍光顕微鏡像のリアルタイムイメージング測定系を新たに構築し、フルオレン系コポリマーにおけるキャリア輸送を評価した。このコポリマーを用いることで、両極性動作が可能となり、電子とホールの輸送特性の違いなども評価できる。実際に、配向膜においてはホールのほうが異方性が大きいという結果が得られており、これはHOMOとLUMOの軌道の違いによって現れているものと結論づけた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

今回、電荷・電界存在下における蛍光強度減衰を利用することで、発光性有機半導体薄膜におけるキャリア輸送評価が可能であることを実験的に示すことができ、これにより当初計画にはなかった蛍光減衰法という新しいキャリア輸送評価法の可能性が拓けた。分光学的手法を用いることの意義は、この手法がデバイス中の電界・電荷分布といった空間的情報を画像化できるだけでなく、キャリアの置かれている環境をエネルギー的にも評価可能であることにある。この蛍光減衰法は、空間的な情報のみならずエネルギー(スペクトル)的な評価もできるため、非常に強力な手法となる可能性を有している。また、ポンププローブ分光をベースとして、有機太陽電池におけるキャリアの初期過程を評価するシステムも立ち上げた、これは過渡吸収測定システムとSHG評価システムを同時評価する装置であり、励起子生成から分離・輸送までの様子を一貫して評価できるようになった。

Strategy for Future Research Activity

順調に計画が進んでいるため、今後も新しい現象や手法を取り入れながら研究を進めていく予定である。特に、当初計画にはなかった蛍光減衰法という新しいキャリア輸送評価法の可能性が拓けたことで、分光学的測定の幅が拡がった。この手法については評価法としての確立を目指し、重点的に研究を進めていく予定である。また、新たに立ち上げた過渡吸収測定とSHGの同時評価システムについても積極的に用い、有機太陽電池におけるキャリア素過程の評価を実施していく。分光学的手法で得られるミクロな物理量は、移動度の理論予測に必要なパラメータをそのまま反映している。新しい現象や手法を取り入れながら電気測定・光学測定・理論計算という3つの柱により、有機半導体中にキャリア輸送機構を系統的に明らかにしていく。

  • Research Products

    (28 results)

All 2016 2015 Other

All Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 6 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Optical second-harmonic generation measurement for probing organic device operation2016

    • Author(s)
      T. Manaka, M. Iwamoto
    • Journal Title

      Light: Science & Applications

      Volume: 5 Pages: e16040/1-10

    • DOI

      10.1038/lsa.2016.40

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Organic double layer element driven by triboelectric nanogenerator: Study of carrier behavior by non-contact optical method2016

    • Author(s)
      X. Y. Chen, D. Taguchi, T. Manaka, M. Iwamoto
    • Journal Title

      CHEMICAL PHYSICS LETTERS

      Volume: 646 Pages: 64-68

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2016.01.002

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Analysis of interfacial energy states in Au/pentacene/polyimide/indium-zinc-oxide diodes by electroluminescence spectroscopy and electric-field-induced optical second-harmonic generation measurement2016

    • Author(s)
      D. Taguchi, T. Manaka, M. Iwamoto
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 55 Pages: 03DC04/1-5

    • DOI

      10.7567/JJAP.55.03DC04

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Modeling and visualization of carrier motion in organic films by optical second harmonic generation and Maxwell-displacement current2015

    • Author(s)
      M. Iwamoto, T. Manaka, D. Taguchi
    • Journal Title

      Journal of Physics D-Applied Physics

      Volume: 48 Pages: 373001/1-20

    • DOI

      10.1088/0022-3727/48/37/373001

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Analysis of current-voltage characteristics of Au/pentacene/fluorine polymer/indium zinc oxide diodes by electric-field-induced optical second-harmonic generation2015

    • Author(s)
      S. Nishi, D. Taguchi, T. Manaka, M. Iwamoto
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 117 Pages: 245502/1-6

    • DOI

      10.1063/1.4923058

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Band-like transport observed in TIPS-pentacene thin film by time-resolved microscopic optical second-harmonic generation imaging2015

    • Author(s)
      K. Matsubara, T. Manaka, M. Iwamoto
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 8 Pages: 041601/1-3

    • DOI

      10.7567/APEX.8.041601

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Charge injection and accumulation in organic light-emitting diode with PEDOT:PSS anode2015

    • Author(s)
      M. Weis, T. Otsuka, D. Taguchi, T. Manaka, M. Iwamoto
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 117 Pages: 155503/1-7

    • DOI

      10.1063/1.4918556

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Direct probing of contact electrification by using optical second harmonic generation technique2015

    • Author(s)
      X. Y. Chen, D. Taguchi, T. Manaka, M. Iwamoto, Z. L. Wang
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 5 Pages: 13019/1-9

    • DOI

      10.1038/srep13019

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 電界誘起光第2次高調波発生法による有機材料中の3次元電界評価2015

    • Author(s)
      間中 孝彰, 岩本 光正
    • Journal Title

      電子情報通信学会技術研究報告

      Volume: 115 Pages: 265/7-12

  • [Journal Article] ゾーンキャスト法によるTIPSペンタセン薄膜の移動度制御2015

    • Author(s)
      山道 稜, 間中孝彰, 岩本光正
    • Journal Title

      電子情報通信学会技術研究報告

      Volume: 115 Pages: 485/19-23

  • [Presentation] 分光学的手法による有機デバイスの動作評価2016

    • Author(s)
      間中孝彰, 岩本光正
    • Organizer
      OME研究会
    • Place of Presentation
      大阪大学中之島センター,大阪
    • Year and Date
      2016-10-23 – 2016-10-23
    • Invited
  • [Presentation] 過渡蛍光減衰法によるキャリア輸送の直接観測2016

    • Author(s)
      安部 健太郎, 間中 孝彰, 岩本 光正
    • Organizer
      2016年第63回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学,東京
    • Year and Date
      2016-03-21 – 2016-03-21
  • [Presentation] 蛍光顕微イメージングによるペンタセンFETにおける電荷分布評価2016

    • Author(s)
      間中孝彰, 岩本光正
    • Organizer
      2016年第63回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学,東京
    • Year and Date
      2016-03-19 – 2016-03-19
  • [Presentation] 有機単結晶薄膜におけるキャリア輸送特性2016

    • Author(s)
      間中孝彰, 岩本光正
    • Organizer
      平成28年電気学会全国大会
    • Place of Presentation
      東北大学,仙台
    • Year and Date
      2016-03-18 – 2016-03-18
  • [Presentation] ゾーンキャスト法によるTIPSペンタセン薄膜の移動度制御2016

    • Author(s)
      山道 稜, 間中孝彰, 岩本光正
    • Organizer
      OME研究会
    • Place of Presentation
      東京工業大学,東京
    • Year and Date
      2016-03-03 – 2016-03-03
  • [Presentation] Carrier transport mechanism in organic single crystalline films studied by the optical second harmonic generation imaging2016

    • Author(s)
      T. Manaka
    • Organizer
      MRSI-Mumbai Chapter
    • Place of Presentation
      BARC, Mumbai, India
    • Year and Date
      2016-02-22 – 2016-02-22
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 光第2次高調波発生法を用いた有機ドナー/アクセプター界面における電荷分離現象の評価2016

    • Author(s)
      間中孝彰, 竹中 友浩, 岩本光正
    • Organizer
      誘電・絶縁材料研究会
    • Place of Presentation
      東京工業大学,東京
    • Year and Date
      2016-01-21 – 2016-01-21
  • [Presentation] 蛍光減衰法による発光半導体薄膜におけるキャリア輸送の可視化2016

    • Author(s)
      安部健太郎, 間中孝彰, 岩本光正
    • Organizer
      誘電・絶縁材料研究会
    • Place of Presentation
      東京工業大学,東京
    • Year and Date
      2016-01-21 – 2016-01-21
  • [Presentation] Carrier behavior in highly-oriented organic semiconductor films2016

    • Author(s)
      T. Manaka, M. Iwamoto
    • Organizer
      2nd Japan-Thailand Joint Symposium on Advanced Nanomaterials and Devices for Electronics and Photonics (JT-AND2016)
    • Place of Presentation
      Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand
    • Year and Date
      2016-01-11 – 2016-01-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Carrier transport mechanism in anisotropic organic semiconductor films2015

    • Author(s)
      T. Manaka, M. Iwamoto
    • Organizer
      The 3rd International Conference on Advanced Electromaterials (ICAE 2015)
    • Place of Presentation
      ICC Jeju, Jeju, Korea
    • Year and Date
      2015-11-19 – 2015-11-19
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Preparation of Chiral Polydiacetylene Films by Using Three-Photon Polymerization2015

    • Author(s)
      T. Manaka, M. Iwamoto
    • Organizer
      The 15th International Discussion & Conference on Nano Interface Controlled Electronic Devices (IDC-NICE 2015)
    • Place of Presentation
      Tokyo Tech, Tokyo, Japan
    • Year and Date
      2015-10-09 – 2015-10-09
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Dielectric Polarization and Domain Shape of Organic Monolayers2015

    • Author(s)
      M. Iwamoto, T. Manaka, D. Taguchi
    • Organizer
      The 15th International Discussion & Conference on Nano Interface Controlled Electronic Devices (IDC-NICE 2015)
    • Place of Presentation
      Tokyo Tech, Tokyo, Japan
    • Year and Date
      2015-10-08 – 2015-10-08
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 光第2次高調波発生法による有機ドナー/アクセプター界面評価2015

    • Author(s)
      間中 孝彰, 竹中 友浩, 岩本 光正
    • Organizer
      2015年第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場,名古屋
    • Year and Date
      2015-09-15 – 2015-09-15
  • [Presentation] 電界誘起光第2次高調波測定を用いたバルクヘテロ型太陽電池の2波長分離測定と内部電界評価2015

    • Author(s)
      三和 健人, 田口 大, 間中 孝彰, 岩本 光正
    • Organizer
      2015年第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場,名古屋
    • Year and Date
      2015-09-13 – 2015-09-13
  • [Presentation] Carrier behavior in highly oriented organic semiconductor thin film studied by visualized carrier motion2015

    • Author(s)
      T. Manaka, K. Matsubara, A. Kentaro, M. Iwamoto
    • Organizer
      Eighth International conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE8)
    • Place of Presentation
      Tower Hall Funabori, Tokyo, Japan
    • Year and Date
      2015-06-22 – 2015-06-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電界誘起光第2次高調波発生法による有機材料中の3次元電界評価2015

    • Author(s)
      間中孝彰, 岩本光正
    • Organizer
      OME研究会-材料デバイスサマーミーティング-
    • Place of Presentation
      機械振興会館,東京
    • Year and Date
      2015-06-19 – 2015-06-19
  • [Presentation] Carrier Transport Mechanism in Anisotropic Organic Semiconductor Films Studied by the TRM-SHG Imaging2015

    • Author(s)
      T. Manaka, M. Iwamoto
    • Organizer
      KPS Spring Meeting 2015
    • Place of Presentation
      Daejeon Convention Center, Daejeon, Korea
    • Year and Date
      2015-04-23 – 2015-04-23
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 英文ニュースレター Bulletin No. 38

    • URL

      http://www.titech.ac.jp/english/news/2015/031190.html

URL: 

Published: 2017-01-06  

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