2022 Fiscal Year Annual Research Report
Improvement of vertical carrier mobilities in organic semiconductor thin films and performances of vertical-type devices
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22H01938
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
中山 健一 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (20324808)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 有機半導体 / キャリア移動度 / 分子配向 / 縦型トランジスタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機半導体薄膜における縦方向移動度を抜本的に向上させることを目的として、基板上の分子配向制御および三次元的な伝導を示す材料の探索を行っている。具体的には、当グループで製法を確立した極薄rGO膜のテンプレート層を用いて分子配向制御することにより、有機薄膜太陽電池の性能向上を目指している。
これまでにチオフェンオリゴマーであるα-6T分子においてface-on配向が有機できることを見出しており、昨年度は、α-6T膜をドナーに、サブフタロシアニンをアクセプターに用いた平面ヘテロ接合型太陽電池において、分子配向制御による性能向上を実現した。さらに、α-6Tのface-on配向化により縦方向（膜厚方向）の励起子拡散長が伸びることを見出し、平面ヘテロ接合型太陽電池における新たなデバイス設計指針を提案した。
極薄膜rGOをソース電極とし、ゲート電圧印加により絶縁層を介してrGOソース電極のフェルミレベルがシフトする現象を使った縦型有機トランジスタ（rGO-VOFET）の開発を行っている。これまで酸化グラフェンの還元には、ヒドラジン暴露と300℃での加熱処理を行う手法を用いていたが、この場合、フレキシブル基板を用いることができなかった。昨年度は、新たな還元手法としてヨウ化水素を用いた手法を用いることにより、100℃以下の低温で参加グラフェンを還元し、そのrGOを用いてVOFETを動作させることに成功した。
さらに、究極的な縦方向移動度向上のためには結晶構造の全方位に大きな電荷カップリングを持ち三次元的な伝導を示す材料が必要であることから、そのような材料を結晶構造データベースから探索する手法の開発に着手した。Cambridge Crystal Structure Databaseを用いて、三次元的伝導に有利なブリックウォール構造の結晶構造を類似構造探索により集め、それらの結晶構造に基づいて電荷カップリングを自動で計算するシステムを開発した。
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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
昨年度の交付申請時に計画していた、①分子配向制御による有機太陽電池の性能向上、②低温還元によるrGO-VOFETの作製、さらに全く新しい挑戦となる③結晶データベースからの三次元的な伝導を示す結晶構造の探索、のいずれにおいても順調に研究が進捗し、期待していた成果が得られたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１） rGOテンプレート層を用いた分子配向制御による有機太陽電池の性能向上
本年度は、結晶構造と励起子拡散長の関係について議論するための枠組みを確立する。具体的には、励起子拡散長を実験的に求める手法と、量子化学計算に基づいて励起子拡散長の予測値を求める手法を確立し、結晶構造と励起子拡散長の関係について考察できるようにする。
（２） p型有機半導体を用いたrGO-VOFETの実現
昨年度までに、再現性よくrGO-VOFETを作製する手法を確立したため、本年度は有機半導体層の材料に着目し、ほとんど未開拓であるp型有機半導体材料を用いたrGO-VOFETの検討を行う。p型有機半導体は一般的に、n型有機半導体より高い移動度を持ち、高性能化が期待できる。
（３） 三次元伝導に適した結晶構造の探索システムの拡張
昨年度、意図している構造モチーフから類似結晶構造を検索し、各結晶軸に対する電荷カップリングを自動計算する手法を確立した。本年度は本システムを発展させて、三次元的な電荷カップリングを持つ結晶構造を示す分子構造の傾向を、分子を特徴づける記述子を導入して機械学習に基づいて分析する。
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