2016 Fiscal Year Annual Research Report
有機半導体の占有・非占有ギャップ準位の直接計測と電気物性の解明
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16H04222
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
石井 久夫 千葉大学, 先進科学センター, 教授 (60232237)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
KRUEGER PETER 千葉大学, 大学院融合科学研究科, 教授 (30706362)
田中 有弥 千葉大学, 先進科学センター, 助教 (90780065)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 高感度紫外光電子分光 / オペランド光電子収量分光 / 状態密度 / ギャップ内準位 / 空準位 / IGZO / 有機EL素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機半導体のHOMO-LUMO ギャップ内に存在するギャップ準位は、種々の有機エレクトロニクス素子の特性の鍵を握る重要な因子であるが、直接観測することができず、なんらかの素子動作モデルを仮定して電気特性から推測するしかできなかった。最近、我々は、元来サブ％レベルの感度しかない光電子分光・光電子収量分光装置を高感度化して、ギャップ内占有準位の直接検出に成功した。本研究では、電気物性を議論するに必要なサブppm レベルの超感度化を実現するとともに、可視吸収分光などと組み合わせることでギャップ内空準位もあわせて検出できる測定手法を開発する。開発した装置を利用して，有機半導体の微弱準位に基づいてデバイス特性を解明するとともに、擬フェルミ準位や移動度端などの電気物性の鍵を握るエネルギー準位を実験的に決定し、素子特性向上に必要なデバイス物理を解明する。 平成28年度は、吸収スペクトルと光電子スペクトルから空準位の状態密度を導出するデコンボリューションのプログラムの開発を行った。実験面では、励起光のエネルギーを掃引しながら電子分光測定を行う、”hν-dependent high-sensitivity photoemission法”を確立し、占有ギャップ内準位の計測実験をすすめ、無機半導体のIGZOや有機EL材料薄膜ならびに絶縁性高分子薄膜の実験を先行して行った。また、空準位を計測する別のアプローチとして、トランジスタ構造を利用して有機層に電子を注入して、アニオン状態にした上で光電子収量分光測定を行う手法も平行して実施した。
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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
高感度紫外光電子分光（HS-UPS）で求めた占有準位の状態密度情報と、光学吸収スペクトルを組み合わせて、非占有準位の状態密度を導出し、各種の電子材料の電子構造と電気特性の相関を解明する研究を進めた。HS-UPSについては、励起光を掃引しながら測定することで10の－15乗cm-3eV-1レベルの極めて微弱な準位を観測することに成功した。この手法を、無機のIGZO薄膜にも応用し、指数関数的に減衰するギャップ内状態密度の観測に成功した。有機材料においては、有機EL素子のホスト材料として用いられているCBPの状態密度を求めると共に、エキシトン由来の光電子の検出にも成功した。また、倒立型有機EL素子で着目されているPEI/Bebq2界面の電子構造を測定し、フェルミ準位より浅い準位を発見した。また、接触帯電を示すナイロン－6，6の状態密度を求め、帯電機構の検討も行った。このほか、空準位のギャップ内準位を決定するために、吸収スペクトルをデコンボリューションする計算手法の開発も進めた。いくつかのアルゴリズムを比較検討し、エネルギー領域に制限があるものの大まかに空準位の状態密度を求めることに成功した。また、微弱空準位を計測する別のアプローチとして、トランジスタ構造を利用したオペランドPYS測定法を開発し、C60トランジスタに適用したところ、C60アニオンの電子脱離エネルギーを実測することに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
デコンボリューションのアルゴリズムを検討する中で、空準位の状態密度を決定するには、広いエネルギー領域に渡って高感度に光学吸収スペクトルを計測する必要があることがわかった。そのため、高感度計測が可能な光電流スペクトルを計測できるように装置を改造することなども検討したい。最終的には、有機EL、有機太陽電池、無機材料に対して、占有並びに非占有のギャップ内準位の計測方法を確立したい。
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| Remarks |
申請書を書いた段階では、研究室のWEBを通じて研究成果を発信する予定であったが、千葉大学が指定するwebサーバーの管理規則が極端に厳しいため、web公開を断念した。（千葉大のweb管理規則に対して外部のレンタルサーバ業者が対応できない。また、学内でサーバーを構築する場合も、個々の研究室のweb構築に対する配慮がなく、個人で管理をすると研究時間が大きくさかれるため断念した。）
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