2020 Fiscal Year Research-status Report
Theoretical study on charge transport mechanism of organic semiconductor
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20K05643
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
二木 かおり 千葉大学, 大学院理学研究院, 助教 (10548100)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 表面科学 / 分子間格子振動 / 波数分解光電子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子結晶中の電荷輸送機構については解明されていない点が多くある。高分解能な光電子分光実験により、分子結晶中の分子間集団格子振動が電荷輸送に寄与しているという実験結果が得られた。しかし、分子間集団格子振動は取り扱いが難しく、これまで無視されてきた。振動エネルギーも小さいため、現状それを説明する理論体系が確立されていない。
申請者は2020年度に、伝搬電子が広範囲に伝搬する際に分子間格子振動を誘起する過程を定式化した理論をJ. Electron Spectros. Relat. Phenom.に投稿し、採択された。今後、この式をプログラム化する予定である。さらに、研究室オリジナルプログラムで多重散乱計算をベースに、波数分解光電子分光スペクトルを計算して両者の値を掛け合わせることで、分子間格子振動が伝搬電子に与える影響を可視化することができると期待している。
上記の計算は、TiSe2に吸着したCuフタロシアニンに対して行う予定である。この系が選定された理由は、共同研究先のドイツのヴェルツブルク大で既に実験が行われ、実験結果が存在するためである。この波数分解光電子分光スペクトルには格子振動の影響が表れているのではないか？と言議論がされており、我々の作成するプログラムを用いて解析するのに最も適した結果と思われる。
2020年度はCuPc/TiSe2の電子状態計算を行い、この結果を基に格子振動を鑑みない場合の波数分解光電子スペクトルを計算した。CuPcが多くの原子を含むうえ、遷移元素を含み、さらにスピンをもっていること、TiSe2がCDW特性を持つため、吸着系の電子状態計算に試行錯誤し、非常に多くの時間を要した。しかし、2020年年度末にはおおよその結果を得ることができた。今後、これを始状態として、格子振動を含んだ系の計算を行う予定である。
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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
今年度は、おおむね良好に計画が進んだ。申請者は2020年度に、伝搬電子が広範囲に伝搬する際に分子間格子振動を誘起する過程を定式化した理論をJ. Electron Spectros. Relat. Phenom.に投稿し、採択された。分子間格子振動を定式化したものを論文化できたことで、今後、プログラミングに取り掛かることができるようになった。
我々の研究室は多重散乱計算をベースにした光電子スペクトルの計算を長く行ってきた。この計算には光が照射される前の始状態を計算する必要がある。しかし、この始状態に関する最新の技術の導入が遅れていた。2019年度から共同研究を始めたオーストリア・グラーツ大のPuschnic教授のアドバイスを随所にいただきながら、PTCDA/Agなどの有機分子が金属に吸着した系の始状態計算を試行錯誤してきた。
2020年度は共同研究先のドイツ・ヴェルツブルク大の試料に合わせてCuPc/TiSe2の構造最適化とバンド計算、電荷密度の移動の割合などの計算を試みた。CuPcが多くの原子を含むうえ、遷移元素を含み、さらにスピンをもっていること、TiSe2がCDW特性を持つことなどから、吸着系の電子状態計算に試行錯誤し、非常に多くの時間を要した。年度末には、一定の成果を得て、始状態計算をより精度良く計算できるようになった。今後、この系を基に振動効果の影響を考察していく予定である。
この系が選定された理由は、共同研究先のドイツのヴェルツブルク大で既に実験が行われ、実験結果をすでに得ているためである。この波数分解光電子分光スペクトルには格子振動の影響が表れているのではないか？と言われており、解析に最適な系である。しかし、非常に系が重く、計算に時間がかかるため、計算コストのかからないPTCDA/Agなどに計算を変更する可能性もある。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度の目的は、今年度出版した論文の内容をプログラム化し、分子間振動の効果を検証することである。そこで一番問題になるのが電子―格子相互作用にかかわる「phonon関数gu」を求めることである。これはまだ未知数で有る。パラメーターとして扱うことから始めて、最終的には定式化したものを入力したいと考えている。
また、系についてはさらに精度の高い計算を行うことを目標とする。現段階では、吸着分子のCuPcはHSE班関数を用いた計算が失敗している。これは非常に計算コストが高い計算である。Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 195 (2014) 293.にHSE班関数を用いた成功例が示されており、HOMO-1の軌道が正確に計算できている。しかし、同グループの計算において、この後HSE班関数は使用されておらず、計算コストが高すぎることを物語っている。次年度はここに一度はトライしたいと思っている。基板のTiSe2については、CDW層である2×2構造とノーマル層のエネルギーの温度変化をそれぞれ計算する。論文で示される200 K付近での相転移(CDWからノーマル層)を確認することを目標とする。
吸着分子と基板それぞれにおいてより精度の高い計算をしたうえで、吸着系を作り、再度構造最適化を・電子状態計算を行う予定である。その後、バンド図や、電荷分布、吸着構造など詳細に確認していく予定である。
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| Remarks |
成果はWorkに、研究内容はStudyに載っています。
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Research Products
(5 results)
