2019 Fiscal Year Research-status Report
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19K05396
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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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2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 有機導体 / 表面・界面物性 / 分子性固体 / 電荷移動錯体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，電子供与性分子（ドナー）と電子受容性分子（アクセプター）結晶の接触界面で相互の電荷の移動が生じ，界面分子の電子構造が開殻化することが明らかになった。このことから分子を接触させるという非常に単純かつ安価な方法で，電子やスピンに起因する様々な機能を発現させることができると考えられる。ここで分子固体の接触界面で生じる電荷移動現象を理解し，そこで得られる機能を探索するために次のような研究を行った。
（１）薄膜による接触界面形成
ドナー分子であるペンタセンの分子薄膜上に，アクセプター分子である2,5-difluoro- 7,7,8,8,- tetracyanoquinodimethane (F2TCNQ)の分子薄膜を蒸着し，ドナー／アクセプターからなる分子薄膜接触界面を作製した。この界面では，2桁にも及ぶ面抵抗の低下が確認された。室温から低温200Kまでの面抵抗の温度依存性においては，常温付近で温度低下に伴い面抵抗が低下する金属的な挙動も確認された。この結果から薄膜を接触させるという方法であってもその接触界面に高伝導性という機能を付与できることがわかった。また薄膜を用いたことで，より正確な電荷の見積もりが可能になった。薄膜化することで接触界面の面積を大きくすることが出来たためより大きなESRシグナル強度を得ることが出来た。このシグナルから接触界面に生じている電荷を見積もったところ，界面の4％程度がイオン化していることが明らかになった。このように薄膜を用いることで界面の電荷移動現象について正確な理解を深めている。
（２）分子固体で得られる機能性の解析
その他に，作製した試料を放置していると新たな固体が出来ていることがある。これは，従来の方法で得られる錯体とは異なる構造を持っていることがある。このようにして得られた錯体などの物性を評価し，そこから界面に新たな機能を得るヒントとしている。
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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
計画当初，本年度は，有機分子の薄膜作製装置を立ち上げ，質の良い薄膜を得ることを目標としていた。本年においては，様々な分子薄膜を作製することに成功し，それらを用いた薄膜による接触界面を得ることが出来ている。更には，それらの界面の評価も行い，ペンタセン/F2TCNQ薄膜界面で金属的な輸送特性を観察できていることから，本研究は概ね順調に進んでいると考えている。
（１）ドナー/アクセプター分子薄膜の接触界面
初年度は，SiO2基板上にピレン，ペリレン，ペンタセン，ルブレンなどのドナー性半導体材料の作製を行った。AFMや伝導度測定などにより薄膜の品質を評価したところ，ピレン薄膜とペンタセン薄膜において被覆率の高い良質な薄膜が得られた。またアクセプター分子には，TCNQ誘導体を用いたところ，どの誘導体においても良質な薄膜が得られた。これらのドナーとアクセプターのどのような組み合わせでも接触界面の高伝導化が確認された。特にペンタセン/F2TCNQ薄膜界面では金属的な挙動を観察できたことは，本研究が順調に進んでいることの証左であると考えている。
（２）原油廃棄物などの安価な分子の薄膜を用いた接触界面
更に，ドナー分子としてフルオランテンやコロネンなど原油廃棄物に含まれる安価な分子も用いて，伝導機能の創成を試みた。その結果，コロネン/F2TCNQの分子薄膜界面において，高伝導化が確認された。しかしながらその界面の実抵抗値は，10MΩ程度であり，実用には程遠いものであった。この為，組合せを変えるなど更なる探索を行う必要があると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も，継続してドナー/アクセプター薄膜接触界面を作製し，その評価を行う。薄膜の特徴を活かして，薄膜X線や導電性AFM，SQUIDなど様々な手法で評価する。
（１）ドナー/アクセプター薄膜接触界面を作製
本年度，金属的な挙動みられたペンタセン薄膜に様々なTCNQ誘導体薄膜を接触させ，系統的な評価を行う。更に近年，有機トランジスタの半導体材料として有望視されているBTBT誘導体やピセンなどのポリアセン，更には安価な材料としてフルオレンやフルオランテンなどをドナーとして系統的な評価を行う計画である。これらの界面の電荷量をESRや赤外分光にて評価を行う。また導電性AFMにより電荷の拡散範囲等を定量的に検討したい。
（２）イオン性基底状態の電荷移動錯体とドナー分子薄膜の接触界面
またいくつかのMott絶縁体や三角格子系やスピンラダー系などの材料の薄膜化を試みる。これらの材料とドナー分子の接触を検討し，この界面に生じる機能を探索したいと考えている。またこれらの系では，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。
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| Causes of Carryover |
当初，2019年秋に行われる有機エレクトロニクスに関する国際会議に出席し情報収集を行う予定であった。しかしながら予定していた会議の招待講演者や講師陣が期待に副うものでなく，十分な情報収集情報を行うことが難しい状況であった他，国内で行われる本研究と深い関連をもつ会議（分子科学討論会）と日程が重なってしまったことから，昨秋の国際会議への参加を見合わせた。ここで翌年度に繰り越した予算（35万円）は，2020年度に行われる国際会議に参加する費用とする。また今年2月ごろにガラス細工用ガスバーナーを購入予定であったが新型コロナウィルスの影響で，納期未定となったしまったため，この予算（10万円）を翌年に繰り越した。これについては現在6月に納品可能と業者から連絡があったことから，そのまま購入を依頼している。
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