2015 Fiscal Year Research-status Report
有機半導体結晶における自由キャリア観測によるバンド伝導性の検証
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15K05129
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| Research Institution | Wakayama University |
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Principal Investigator |
秋元 郁子 和歌山大学, システム工学部, 准教授 (00314055)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中 暢子 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10292830)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | サイクロトロン共鳴 / 有機半導体 / 無機半導体 / 光キャリア / 伝導機構 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、有機半導体において実験的に自由キャリア運動を捉え、バンド伝導性を裏付けることを目的とする。そのため、サイクロトロン法を用いて、伝導の基礎物理量である有効質量やキャリア散乱時間、易動度などを無機半導体と対比的に研究し、ホッピング伝導とバンド伝導のクロスオーバー領域における伝導機構について新しい知見を得ることを目指す。Ｈ２７年度は、作製したルブレン単結晶での光キャリア生成を確立させ、サイクロトロン共鳴法を実施した。当初計画していた有機-金属界面への光照射による光キャリア生成は達成できなかったので、電場印加下での光キャリア生成法に切り替え、マイクロ波共振器内で光照射とマイクロ波照射及び電場印加を実現する方法を確立させた。このことにより、ルブレン単結晶にキャリアを光注入することができるようになった。光注入したキャリアによるマイクロ波吸収を確認したが、まだ、サイクロトロン共鳴スペクトルを同定するには至っていない。
一方で、対照物質である無機半導体においてサイクロトロン信号を取得し、高純度ダイヤモンド結晶を対象とした研究の一部を論文にまとめた。特に、FZ法で作製された高純度シリコン結晶において、サイクロトロン共鳴信号の測定方法の違いと得られる物理量の関係や、吸収端領域でのフォノンアシスト励起による励起子及びキャリア生成とサイクロトロン信号強度について、2015年日本物理学会秋季大会で発表した（18pPSA-22,17aCE-1）。さらに、吸収端領域での光励起波長選択によりバレー選択励起ができている可能性を示し、第71回日本物理学会年次大会で発表した（20pBP-7）。
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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
ルブレン単結晶の作製は順調に進んでいる。当初計画していた有機-金属界面への光照射による光キャリア生成は達成できなかったものの、電場印加下でキャリアを光注入することができるようになった。これは、光で生成した励起子がそれ自体では解離しないが、電場印加によりキャリアに解離したことによる。光照射と電場印加を同時にマイクロ波共振器内で実現する方法を確立させたことにより、光注入したキャリアによるマイクロ波吸収を確認できた。しかし、サイクロトロン共鳴スペクトルを同定するには至っていない。
一方で、対照物質とする無機半導体のサイクロトロン共鳴測定は順調である。特に、炭素と酸素濃度をコントロールした高純度シリコンでのサイクロトロン共鳴の研究をスタートさせた。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでのところ、ルブレン単結晶において光注入したキャリアによるマイクロ波吸収を確認できたものの、サイクロトロン共鳴スペクトルを同定するには至っていない。サイクロトロン共鳴はキャリアの散乱が少ない低温の方が測定しやすいが、ルブレン結晶では光キャリアの生成量が、室温で多く低温ほど少なくなることが、スペクトル観測できていない理由の一つとして考えられる。現状、低温では、励起子解離により生成したキャリアが、直ぐに酸化された結晶表面準位などにトラップされていると予想できる。それを解決するため、
・高品位な結晶試料を不活性ガス中で取り扱う。
・励起波長を変化させることで光の浸透長、すなわちキャリア分布深さを変え、チャネル深さと散乱過程についての相関についての知見を得る。
などの工夫と実験を実施し、サイクロトロン共鳴スペクトル観測を実現させる。また、他にも、表面準位や酸化され易さが異なるペンタセンなどの有機半導体材料についても結晶作製を行い、サイクロトロン共鳴法を実施する。
一方、シリコン結晶およびダイヤモンド結晶の無機半導体でのサイクロトロン共鳴法との比較も行い、伝導機構のクロスオーバー領域の伝導性に関する知見を得る。以上の研究内容を適宜、国内学会及び国際会議で研究成果を発表する。
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| Causes of Carryover |
年度末に装置トラブルがあり、予定していた液体ヘリウム購入を見送った。そのため、液体ヘリウムを1回購入する分の予算を次年度に繰り越した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
装置トラブルは新年度初頭に解決したので、順次実験を実施し、液体ヘリウム代として使用する。
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