2017 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, 大学院工学研究院, 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 | オペランド光電子収量分光 / 高感度光電子分光 / 状態密度 / 空準位 / 電子注入 / ギャップ準位 |
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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。
H29年度はH28年度に試作したデコンボリューションのプログラムを改造しながら、実際のデータにあてはめて、解析を進めた。その結果、１）一般の可視紫外吸収スペクトルでは微弱な空ギャップ準位を検出するには感度が十分ではないこと、２）信頼性のある空準位情報を得るには可視より長波長側の吸収スペクトルも必要である、ことなどが判明した。そのため、H30年度では吸収分光に代わって光伝導測定を行うことで、高感度な吸収スペクトルを得ることを目指すこととした。（この点に関しては、光電流測定による高感度測定の実績がある京都大学のリチャード・マーディ博士に協力を仰ぎ、すでに準備を進めている）
空準位情報を得る別のアプローチとして進めているトランジスタ構造のOperando光電子収量分光と高感度光電子分光に関しては、C60に加えてペンタセントランジスタにおいてもLUMOに注入された電子の直接観測に成功し、空準位の直接観測に成功した。これらの２通りの空準位評価法を組み合わせることで、有機トランジスタ、太陽電池、有機EL素子などのデバイス物理の解明が進展するものと期待している。
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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
本研究で当初から提案していた「高感度高電子分光で実測した状態密度と吸収分光スペクトルから空準位状態密度を求める」という方向に関しては、実際に進めていく中で課題が明らかになってきた。吸収スペクトルの感度が十分ではないこと、近赤外領域のスペクトル情報が不足していることの２点については、光電流測定で打開できるめどを得ることができた。実際、光電流測定でC60のギャップ準位に関する情報を得ることに成功している京大のリチャード・マーディ博士の協力を得て、装置の改造を進めており、H30年度にはデータが得られる予定である。この当初案は、予定より遅れているものの、空準位を観測する別のアプローチとして進めてきたオペランド光電子収量法が進展し、予想以上に興味深い結果を得ている。昨年発表したC60トランジスタだけではなく、ペンタセントランジスタのアンビポーラー動作を利用して、オペランド分光を行うことに成功し、LUMO準位に収容された電子を直接観測することに成功した。この両手法を組み合わせることで、動作状態のデバイスの動産原理を解明する手法の確立が大いに期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
光電流測定に関しては、現在装置改造をすすめており、H30年度に実際の測定が可能となる。近赤領域の情報が不足する点に関しては、分光光源に長波長用の回折格子を追加すること、ならびに、近赤領域のスペクトルがなくても動作するアルゴリズムを開発することにより対応する予定である。オペランド分光に関しては、電子増倍管の電子光学系を改良し、検出効率をさらに高めるととともに、応用上興味のある有機半導体に適用し、解析法を確立したいと考えている。また、高感度高電子分光により界面電子構造を測定した後に超高真空内で素子化して電気特性を測定し、電子構造と電気特性の相関を解明する手法についても蒸着槽の改造に着手し、準備を進めている。以上のアプローチにより、当初からのターゲットである空ギャップ準位の詳細をかいめいできるものと期待している。
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| Remarks |
申請時の計画では、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く現実的に対応できないため、WEB公開を断念している。
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