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2012 Fiscal Year Annual Research Report

大規模伝導計算による有機半導体のキャリア機構の解明

Research Project

Project/Area Number 23360018
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

小林 伸彦  筑波大学, 数理物質系, 准教授 (10311341)

Project Period (FY) 2011-04-01 – 2014-03-31
Keywords有機半導体 / キャリア / 伝導 / 理論
Research Abstract

次世代電子デバイス材料として期待されている有機半導体のキャリア伝導機構の解明を理論的に行うことを目指している。構造が柔軟・フレキシブルで環境に優しい高性能有機半導体トランジスタの伝導機構の解析を行い、究極の高移動度キャリア伝導を実現するための材料・デバイス設計を行うことを目的としている。有機半導体は有機分子が弱く結合した分子性結晶であり、伝導機構解明には、その分子間相互作用、電子格子相互作用を定量的に精度良く見積もることが不可欠である。そのため、分子間相互作用を密度汎関数理論を用いた第一原理計算によって解析した。分子性結晶の分子間相互作用においてはファンデルワールス力が重要になってくるが、従来型の密度汎関数法ではその効果を精度良く記述することは難しい。そこで、ファンデルワールス力を考慮した電子状態計算を行い、ペンタセン、ルブレン、テトラセン分子の解析を行った。分子の並進運動、回転運動およびその異方性と温度依存性を解析し、Spring8による単結晶構造解析およびTLS解析による分子運動解析の実験結果と比較検討を行い、精度良く解析できていることを確認した。それを踏まえて有機半導体における分子運動の熱揺らぎを定量的に評価することに成功し、キャリアコヒーレンスと熱揺らぎの強い相関を明らかにした。さらに、時間依存波束拡散伝導法により、電子波束の時間発展計算と、荷電キャリアに伴う格子ひずみや分子の熱揺らぎを記述する分子動力学計算を連立させて解き、移動度に対する熱揺らぎの効果を定量的に評価した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

有機半導体のキャリア機構の解析を進めるにあたって、熱揺らぎの効果が重要なことがわかった。その効果を密度汎関数法を用いた詳細な計算によって取り扱い、伝導解析の理論的方法論が当初の計画以上に発展している。

Strategy for Future Research Activity

熱揺らぎの高精度な計算が可能になり、この効果を取り込んだ時間依存波束拡散法により様々な有機半導体のキャリア機構を解析し、バンド伝導からホッピング伝導までの理論的な解明を進める。

  • Research Products

    (21 results)

All 2013 2012 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (18 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Wave-packet approach to transport properties of carrier coupled with intermolecular and intramolecular vibrations of organic semiconductors2012

    • Author(s)
      H.Ishii, K.Honma, N.Kobayashi, K.Hirose
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 85 Pages: 245206(1-9)

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.85.245206

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Roles of intramolecular and intermolecular electron-phonon coupling on the formation and transport of large polarons in organic semiconductors2012

    • Author(s)
      H. Tamura, M. Tsukada, H. Ishii, N. Kobayashi, K. Hirose
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 86 Pages: 035208(1-4)

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.86.035208

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 有機半導体における分子運動の熱ゆらぎの理論計算2013

    • Author(s)
      深見竜也,石井宏幸,小林伸彦,植村隆文,竹谷純一,広瀬賢二
    • Organizer
      日本物理学会 第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      20130326-20130329
  • [Presentation] 有機半導体のホール伝導度計算と分子運動の熱揺らぎ効果2013

    • Author(s)
      石井宏幸、深見竜也、植村隆文、竹谷純一、小林伸彦、広瀬賢二
    • Organizer
      日本物理学会 第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      20130326-20130329
  • [Presentation] 電極表面状態のグラフェンへの染み出し効果2013

    • Author(s)
      竹本整司,金有洙,小林伸彦
    • Organizer
      日本物理学会 第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      20130326-20130329
  • [Presentation] 第一原理計算による原子間ポテンシャル作成と熱伝導計算への応用2013

    • Author(s)
      山本晃平、石井宏幸,小林伸彦、広瀬賢二
    • Organizer
      日本物理学会 第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      20130326-20130329
  • [Presentation] Wave-packet approach to thermal fluctuation effects on charge transport of organic semiconductors2013

    • Author(s)
      H.Ishii, N.Kobayashi and K.Hirose
    • Organizer
      2013 American Physical Society March Meeting
    • Place of Presentation
      Baltimore, USA
    • Year and Date
      20130318-22
  • [Presentation] Ab initio calculations of intermolecular interactions in single-crystal organic semiconductors2012

    • Author(s)
      T. Fukami, H. Ishii, N. Kobayashi, T. Uemura, J. Takeya, K. Hirose
    • Organizer
      The 4th Tsukuba-Hsinchu Joint Symposium on Interdisciplinary Nano-Science and Technology
    • Place of Presentation
      Univ. Tsukuba
    • Year and Date
      20121217-20121218
  • [Presentation] Wave-Packet Approach to Charge Transport Properties of Single-Crystal Organic Semiconductors2012

    • Author(s)
      H. Ishii, T. Fukami, N. Kobayashi T. Uemura, J. Takeya and K. Hirose
    • Organizer
      The 4th Tsukuba-Hsinchu Joint Symposium on Interdisciplinary Nano-Science and Technology
    • Place of Presentation
      Univ. Tsukuba
    • Year and Date
      20121217-20121218
  • [Presentation] 有機半導体における分子間相互作用の理論計算2012

    • Author(s)
      深見竜也,石井宏幸,小林伸彦,植村隆文,竹谷純一,広瀬賢二
    • Organizer
      日本物理学会 2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120918-20120921
  • [Presentation] 3次元有機半導体結晶のキャリア伝導シミュレーション2012

    • Author(s)
      石井宏幸、深見竜也、小林伸彦、植村隆文、竹谷純一、広瀬賢二
    • Organizer
      日本物理学会 2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120918-20120921
  • [Presentation] ポリチオフェン分子ワイヤーにおける第一原理電子輸送計算2012

    • Author(s)
      高木博和、小林伸彦、広瀬賢二
    • Organizer
      日本物理学会 2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120918-20120921
  • [Presentation] 長周期格子歪をともなったグラフェンの電子状態計算2012

    • Author(s)
      竹本整司,金有洙,小林伸彦
    • Organizer
      日本物理学会 2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120918-20120921
  • [Presentation] 第一原理計算を用いた金属・半導体界面における熱伝導計算2012

    • Author(s)
      山本晃平、石井宏幸,小林伸彦、広瀬賢二
    • Organizer
      日本物理学会 2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120918-20120921
  • [Presentation] Thermal Conductance Calculation of Silicon Nanowires2012

    • Author(s)
      K.Yamamoto, H.Ishii, N.Kobayashi, and K.Hirose
    • Organizer
      Trends in Nanotechnology 2012
    • Place of Presentation
      Madrid, Spain
    • Year and Date
      20120910-20120914
  • [Presentation] Wave-packet approach to charge transport coupled with molecular distortions of organic semiconductors2012

    • Author(s)
      H. Ishii, N. Kobayashi, K. Hirose
    • Organizer
      5th International Symposium on Flexible Organic Electronics
    • Place of Presentation
      Thessaloniki, Greece
    • Year and Date
      20120702-20120705
  • [Presentation] First-principles electronic transport calculations of nanocarbon materials

    • Author(s)
      H. Takaki, N. Kobayashi, K.Hirose
    • Organizer
      9-th International Conference on Nanosciences &Nanotechnologies
    • Place of Presentation
      Thessaloniki, Greece
  • [Presentation] Theoretical study of substrate effect on the electronic structure of Graphene/Metal system in STM image

    • Author(s)
      S. Takemoto, H. W. Kim, N. Kobayashi, and Y. Kim
    • Organizer
      The 14th International Conference on Vibrations at Surfaces
    • Place of Presentation
      Nichii-Gakkan Kobe Port Island Center, Kobe
  • [Presentation] ナノワイヤの熱伝導理論

    • Author(s)
      小林伸彦
    • Organizer
      電気学会 ナノエレクトロニクス集積化・応用技術調査専門委員会
    • Place of Presentation
      早稲田大学
    • Invited
  • [Presentation] 有機半導体におけるキャリア伝導の空間異方性・エネルギー依存性~波束ダイナミクスによるアプローチ~

    • Author(s)
      石井宏幸、植村隆文、竹谷純一、小林伸彦
    • Organizer
      第73回 応用物理学会 学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学
  • [Remarks] 筑波大学 小林研究室

    • URL

      http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~cmslab/

URL: 

Published: 2015-05-28  

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