2017 Fiscal Year Research-status Report
有機へテロ接合界面で生じる高密度電荷注入による機能創製
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16K17887
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
高橋 幸裕 北海道大学, 理学研究院, 助教 (40443197)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 有機導体 / 表面・界面物性 / 分子性固体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
一般的に分子は閉殻な電子構造をとるため，不純物のドーピングが困難であること考えられている。このことが多様性や性能の面で有機半導体が無機半導体に劣る理由として考えられ，効果的に電荷注入が行われた有機半導体材料を得ることは，今後の有機エレクトロニクスの発展に大いに貢献できると考えている。本研究では，そのための一つの手法として接触型ドーピングと呼ばれる電子供与性分子（ド ナー）/電子受容性分子（アクセプター）結晶の接触界面で生じる電荷移動現象に注目している。
（１）この電荷移動現象のメカニズムを解明するために初年度に引き続き，単成分結晶の接触界面 アクセプター分子を2,5-difluoro-7,7,8,8,-tetracyanoquinodimethane (F2TCNQ)に固定し，様々なイオン化ポテンシャル（IP）を 有する8種類のドナー結晶を接触させてその界面の電荷移動量と電気伝導度を系統的に調査した。この結果，接触界面で見られる金属的輸送特性の本質，およびその金属的な輸送特性を発現する条件はほとんどなく非常に幅広い分子の組み合わせにおいても観察可能であることを見出し，学術論文にまとめた。
（２）この発見を元に，接触界面で生じる機能や，本手法の応用性を検討すべく，様々な分子結晶を用いた接触界面を作製した。特にイオン性基底状態の電荷移動錯体とドナーの接触界面 既にアニオン‐カチオン間で完全に電荷が移動しMott絶縁体になった物質にドナー分子ルブレンやビスエチレンジチオテトラティアフルバレンの結晶を接触させ電荷の注入を試みた 。その結果，その界面も高伝導化を示し，金属的な挙動を観察することができた。これはドナーから，Mott絶縁体結晶表面に電子注入が行われたことに起因したと考えている。
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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
初年度の研究目的であったドナー/アクセプター結晶の接触界面で生じる電荷移動現象のメカニズムを解明し，学術論文としてまとめられたこと，また本研究の次のステップであるMott絶縁体とドナー分子結晶界面でも金属的挙動や界面で生じるその他の機能探索に着手できたことからほぼ計画通りに遂行されていると考えている。
（１）イオン性基底状態の電荷移動錯体とドナーの接触界面いくつかのイオン性の電荷移動錯体にルブレンやビスエチレンジチオテトラティアフルバレン単結晶を接触させ，その界面の輸送特性を観察した。特に，バルクの状態 でMott絶縁体となっているk-(ET)2Cu2(CN）3塩とルブレン結晶をはじめとするいくつかのドナー結晶の接触界面において，金属的な挙動が確認されている。このようにドナー結晶の接触によりMott絶縁体を金属へと変化させることが可能であると期待している。更にドナー分子をETに固定しいくつかの有機Mott絶縁体結晶との接触界面の面抵抗は常温においてその面抵抗が1桁～2桁減少する挙動が観測され，金属的な挙動も確認されている。
（２）またドナー/アクセプター接触界面における機能性探索も引き続き行っている。例えば，ピセンのような無色透明な結晶を接触させることで高伝導化に成功しており，これはITOの代替となる可能性があると期待している。このように本手法は一部レアメタルの代替となりうるかもしれないことから，接触界面の磁性なども検討できている。また印加電圧により高抵抗状態と低抵抗状態をスイッチできる界面をも発見している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，最終年度として接触界面で生じる電荷移動現象の応用性に注力しまとめていきたいと考えている。イオン性基底状態の電荷移動錯体とドナー結晶界面に 生じる機能を探索しつつ，初年度や今年度に見出された接触界面で生じる新たな機能についてまとめる予定である。
（1）これまでに作製したイオン性基底状態のMott絶縁体電荷移動錯体とドナー結晶の接触界面において生じた，高伝導化や金属的な挙動の起源や応用性について導電性AFM等によって解析する。また，三角格子系やスピンラダー系などの材料とドナー結晶界面に生じる機能も検討しているのでそちらの不足している実験も行い論文としてまとめる予定である。特にこれらの系では，トランジスタによる物理的な電荷注入と比較し，本研究で対象としている化学的電荷注入の特徴を明確にしたいと考えている。
（2）単成分結晶の接触界面 ピセン/F2TCNQの接触界面における電荷移動量と光応答性を確認する。接触界面の電子状態は，導電性AFMや顕微反射可視分光等で解明する予定である。またこれからの研究の進捗状況にもよるが，スイッチング素子や光照射により電荷注入量を増幅させた界面の輸送特性についても論文としてまとめたいと考えている。
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