2015 Fiscal Year Annual Research Report
極高感度光電子検出による有機半導体の伝導準位完全計測への挑戦
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15H05498
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
中山 泰生 東京理科大学, 理工学部, 講師 (30451751)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 有機半導体単結晶 / ペンタセン / フラーレン / X線光電子分光法 / 真空劈開 / 微小角入射X線回折法 / X線反射率法 / ヘテロエピタキシャル成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，ppm以上の極高感度での光電子計測に基づいて，有機半導体物質の電荷輸送現象に関わる伝導準位を完全計測することを目的とする。有機デバイスの示す電荷輸送現象の理解と最適化のためには，電荷輸送準位として従来から考慮されてきた単純なHOMO/LUMOのエネルギー準位接続モデルのみでは限界があり，バンド分散，エネルギーギャップ内に潜在する微少準位，さらに伝導電荷や励起子のエネルギー分布に関する実証的な知見が求められている。このため，本研究では，ギャップ内準位やポーラロン・励起子の直接観測を可能とする極高感度光電子計測装置の開発に加えて，有機「真性半導体」としての高純度有機単結晶の電子物性，さらにデバイス内部の機能性ヘテロジャンクションをモデル化した分子界面の物性評価まで，多面的な実証研究を展開している。
これまでに得られた研究実績としては，有機半導体単結晶試料に対するX線光電子分光(XPS)計測による精密な表面化学組成分析により，有機単結晶表面への大気曝露によって発生する酸化不純物の濃度を定量的に決定することに成功した研究例が挙げられる（原著論文１報，招待講演２件など）。これを承けて，表面不純物を除去する真空劈開法についても検討を行い，その結果についても現在原著論文を準備中である。単結晶基板をベースとした高秩序有機界面の構築に関する研究成果について原著論文２報を現在投稿中である他，デバイス界面電子物性に関する研究についても，昨年度に招待講演２件などの実績を挙げている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度の研究計画として，「１．高感度光電子収量分光計測システムの開発」および「２．有機「真性半導体」単結晶の物性計測」の２件を掲げた。
「１」については，①完全窒素パージ仕様の紫外分光器を２段にすることでバックグラウンド信号の混入を最小化できる広域分光器に，②可視から紫外域の広いエネルギー範囲にわたって高輝度で強度変動の少ない高性能な実験室光源であるレーザー励起白色紫外光源を組み合わせた，低迷光広域分光光源（分光計器社150630KV202-GDD）を特注し，納入された。一方，光電子計測システムの開発に関しては，昨年度内での標準試料測定を想定していたが，若干遅れているのが現状である。これは今年度の早い段階に完了したい。
「２」については，代表的な有機半導体物質であるペンタセンを対象に，A.分子科学研究所極端紫外光施設における高分解能角度分解紫外光電子分光，B.SPring-8の表面結晶構造解析ステーションにおける高秩序結晶界面構造解析，C.高エネルギー加速器研究機構の表面化学真空紫外軟X線分光ステーションにおける表面化学分析，D. Swiss Light Sourceの表面構造解析ステーションにおける分子接合の「その場」観察を計画していた。これらはいずれも予定通りに実施され，A,Cについては原著論文準備中，B,Dについては原著論文投稿中である。また，特にCにおいては実デバイスの電子構造分析にも着手している。このように，本テーマについては当初の計画より研究は進展している。
以上より，総合的にみると現時点における研究課題の進捗は概ね順調であると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．高感度光電子収量分光計測システムの構築
有機半導体物質に潜在するエネルギーギャップ内準位を極高感度で計測できる新システムの完成を急ぐ。光電子検出器および測定試料を設置する超高真空測定槽の起動および既存の試料準備槽との接続，ならびに分光照射システムの制御および放出光電子の計量のための測定プログラムの開発を進め，標準試料を用いた性能評価に移る。さらに，多段の電子増倍管を測定槽に組み込むことで光電子検出の極高感度化を図る。
２．有機「真性半導体」単結晶の物性計測
残留不純物および酸化生成物を排した高純度な有機単結晶の価電子バンドや表面構造・エネルギー緩和といった基礎物性の解明を引き続き進めていく。今年度は，真空劈開のような機械的な手法によらない有機単結晶清浄表面作製法の開発を進め，昨年度と同様に分子科学研究所および高エネルギー加速器研究機構での電子物性評価を行うのに加えて，「１」で開発する極高感度光電子分析システムでの評価と複合することで，有機半導体物質の基盤試料としての有機「真性半導体」単結晶の電子物性の完全解明に挑戦する。
３．有機半導体単結晶へのヘテロエピタキシャル接合形成とその物性評価
有機「真性半導体」単結晶を基材として極めて高品質な有機ヘテロエピタキシャル接合を作製し，その電子物性を解明する。昨年度，Spring-8およびSwiss Light Sourceにおいて行った一連の実験により，ペンタセン単結晶上にC60フラーレンを積層した高秩序有機ｐｎヘテロ接合において，C60がペンタセン単結晶上にヘテロエピタキシャル成長することを明らかにしている。ここで，C60の面内結晶子サイズはペンタセンの多結晶薄膜上より１桁大きい100 nmにも及ぶ極めて良好な結晶性ヘテロ接合が形成されることが見出された。今年度は，より不純物・欠陥密度の小さい有機「真性半導体」単結晶を用いることで，有機ｐｎヘテロ接合の結晶性の限界に挑む。
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[Presentation] ペンタセン単結晶上C60ヘテロエピタキシャル構造の精密決定2016
Author(s)
中山泰生，水野裕太，鶴田諒平，細貝拓也，小金澤智之，山本真之，Alexander Hinderhofer, Alexander Gerlach, Heiko Frank, Frank Schreiber, 石井久夫，上野信雄
Organizer
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（東京都目黒区）
Year and Date
2016-03-22
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[Presentation] Core and valence electronic structures of pentacene single crystal2015
Author(s)
Yasuo Nakayama, Yuta Mizuno, Masayuki Yamamoto, Masataka Hikasa, Yuki Uragami, Keiichirou Yonezawa, Kazuhiko Mase, Satoshi Kera, Masaharu Matsunami, Shinichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Hisao Ishii, and Nobuo Ueno
Organizer
The 3rd Workshop on Physics in Organic Optoelectronics (Joint JSPS-NSFC research program)
Place of Presentation
自然科学研究機構（愛知県岡崎市）
Year and Date
2015-12-10
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Core-levels and Valence Band Electronic Structures of the Pentacene Single Crystal2015
Author(s)
Yasuo Nakayama, Masayuki Yamamoto, Yuta Mizuno, Yuki Uragami, Keiichirou Yonezawa, Hiroumi Kinjo, Kazuhiko Mase, Masaharu Matsunami, Satoshi Kera, Hisao Ishii, Nobuo Ueno
Organizer
Eighth international conference on molecular electronics and bioelectronics (M&BE8)
Place of Presentation
タワーホール船堀（東京都江戸川区）
Year and Date
2015-06-23
Int'l Joint Research
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