2020 Fiscal Year Annual Research Report
表面偏析単分子膜を用いた有機半導体薄膜構造の精密制御とその応用
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20H00393
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
但馬 敬介 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (90376484)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 有機薄膜 / 分極 / 配向 / 有機半導体 / キラリティ / 結晶化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
π共役高分子の薄膜中でのface-on配向を誘起するための表面偏析単分子膜として、低分子系のNDI、PDIをもとにして分岐型フッ素化アルキル基を導入した新規分子を合成した。これらを用いて高分子N2200の薄膜中配向の制御を試みた。その結果、これらの分子は薄膜表面への偏析は起こるものの、高温での熱処理で昇華してしまうために高分子配向への影響が低いことが明らかとなった。これは、これまでに研究してきた高分子系の表面偏析膜とは大きく異なる性質であった。一方でNEXAFSによる検討により、表面での分子配向に関してはある程度の情報が得られることが明らかになった。また、分極構造の制御のために、フッ素化アルキル基を有するTPBi分子を合成し、溶液から作成した無置換TPBi薄膜上の表面偏析単分子膜としての利用を検討した。XPSによる表面F濃度の測定から、分子の表面偏析は起こっていることが明らかになった。また、期待通り薄膜の加熱によってバルク中のTPBiの結晶化が起こり、表面偏析膜の有無によって結晶化の挙動は変化した。一方で、真空蒸着膜では見られている薄膜の分子配向による分極は加熱によって失われるということが明らかになった。様々な検討の結果、基板電極からTPBi薄膜への電荷注入によって分子の極性がキャンセルされていることが示された。つまり、残存分極は蒸着膜において電荷の熱平衡状態が達成されていない時にのみ観測されると示唆された。そのためまずは溶液からの塗布による分極形成は一旦止めて、今後は蒸着膜での分子構造と分極の相関を調べることとした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初考えていたフッ素化アルキル基を付けた低分子系の表面偏析分子は、熱的な安定性が低いということが明らかとなり、分子設計の変更を余儀なくされた。また、薄膜中の極性を結晶化によって誘起するというアプローチは、加熱によって電荷の注入が起こり、電場が打ち消されてしまうという当初予期しなかったメカニズムが明らかになり、非平衡状態が極性の達成に重要であることが分かった。このため、一旦塗布膜から蒸着膜による検討へと変更することとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
表面偏析膜の分子設計については、分子間の水素結合を導入することで熱的な安定性を高めていくことを予定している。また、配向を誘起する分子間の相互作用についても、単純なπ－π相互作用に加えて、N-π相互作用も検討する。薄膜の分極については、当初の予定を変更して、まず溶液からの塗布ではなく真空蒸着法による薄膜での制御を目指すことにした。その際、分子内の相互作用によるコンフォメーション変化を利用して、分極を増大させるというアプローチをとることにした。
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