弱い摂動が誘発する有機半導体の電子機能：有機デバイス関連界面のミステリーの解明

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24245034
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 上野 信雄 千葉大学, 融合科学研究科(研究院), 教授 (40111413)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 有機半導体 / 有機デバイス / 界面 / エネルギー準位接合 / 移動度 / 光電子分光 / バンド分散 / 電子-振動結合

Research Abstract

有機半導体は室温の数倍のエネルギー（約0.1eV）で分子が凝集し, 異種物質との接触により室温環境で最大の機能を発現し得る。その一例は生体機能に現れている。近年,高秩序界面の作製とその測定技術の革新によってその機能の根源が，分子間相互作用・分子振動・自発的無秩序化による界面準位がすべて0.1 eV程度のエネルギー領域にあり，これらが互いに相関・競合する現象に起因することが分かってきた。特に自発的構造乱れはバンドギャップ中に未知の準位を出現させ，無機半導体とは異なる界面機能が見出されつつある。本研究では,超高感度での電子状態測定により,分子の大きさと低い対称性等に起因する「自発的集合構造の乱れ」とその電子機能への影響を研究し，有機デバイス関連界面に普遍的な新しいエネルギー準位接続モデルを提案する。
本年度は，第一にUPSの超高感度化を目指した。一層の高感度化にはバックグラウンド電子を下げる必要がある。本研究では二次元検出器の活用に加え，低エネルギー光によるイオン化確率の増大現象と分子の光照射損傷の低減効果を利用して電気的測定に比肩できる世界最高の超高感度化を実現し，1016states/eV・cm3のバンドギャップ準位の検出に成功した。また，このバンドギャップ状態が膜の不活性ガス暴露によって分子の集合構造に乱れが入ることによって増加し，フェルミ準位がHOMOに近接することを突き止めた。一方，既に技術を確立したルブレン単結晶のバンド分散の測定を精密化し，結晶の保持法を研究して低温での分子集合構造のひずみの発生を克服し温度依存性測定を試み，バンド分散へのポーラロン効果を捉えることに成功した。上記に加え，多くの実験に成功し当初計画で予想した以上の成果を上げている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

予定よりも短期間でUPSの非破壊且つ超高感度化に成功したことが関連する当初の研究計画を予定よりも短期間で実現できたことにつながった。

Strategy for Future Research Activity

バンドギャップ状態の有機半導体の界面電子準位接合への寄与について，有機へテロ界面に対して既に革新的な実験データを得つつある。また，結晶構造中の分子パッキング乱れとフェルミ準位位置との相関も精密なX線散乱実験とUPS実験を利用して定量的に測定できつつ有り，次年度以降の研究に期待している。一方，有機半導体中での電子の平均自由行程の測定にも成功した。電子分光法による電荷移動度の定量的研究をめざした研究によって，ペンタセンの水素をフッ素置換することによって，再配向エネルギーが増加するが，この増加（すなわちホッピング移動のの大幅な低下）がHOMOの空間分布が広がる効果が局在フォノンエネルギーの低下による効果より飛躍的に大きいことを実験的に見出している。極めて順調に研究が進展しているので現在問題点はないと考えている。

Research Products

• [Journal Article] 光電子分光法による有機半導体の電子状態と界面の特徴 (2013)
  • Author(s): 解良 聡，上野信雄
  • Journal Title: J. Vac. Soc. Jpn. Volume: 56 Pages: 19-23
  • DOI: org/10.3131/jvsj2.56.18
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Geometric and electronic structure of template C60 on diindenoperylene thin films (2013)
  • Author(s): A. Hinderhofer, A. Gerlach, K. Broch, T. Hosokai, K. Yonezawa, K. Kato, S. Kera, N. Ueno
  • Journal Title: J.Phys.Chem Volume: 117 Pages: 1053-1058
  • DOI: 10.1021/jp3106056
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electric-field-assisted charge generation and separation process in transition metal oxide-based interconnectors for tandem organic light-emitting diodes (2012)
  • Author(s): Jin-Peng Yang, Yan Xiao, Yan-Hong Deng, Steffen Duhm,Nobuo Ueno, Shuit-Tong Lee, Yan-Qing Li, and Jian-Xin Tang
  • Journal Title: Adv. Func. Mater. Volume: 22 Pages: 600-608
  • DOI: 10.1002/adfm.201102136
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure Matters: Correlating temperature dependent electrical transport through (2012)
  • Author(s): Hagay Shpaisman,Oliver Seitz,OmerYaffe, Katy Roodenko, Luc Scheres,Han Zuilhof, Yves J. Chabal, Tomoki Sueyoshi, Satoshi Kera, Nobuo Ueno, Ayelet Vilan and David Cahen
  • Journal Title: Chemical Science (RSC) Volume: 3 Pages: 851-862
  • DOI: 10.1039/c1sc00639h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge reorganization energy and small polaron binding energy of rubrene thin films by UPS (2012)
  • Author(s): Steffen Duhm, Qian Xin, Shunsuke Hosoumi, Hirohiko Fukagawa, Kazushi Sato, Nobuo Ueno and Satoshi Kera
  • Journal Title: Adv. Mater. Volume: 24 Pages: 901-905
  • DOI: 10.1002/adma.201103262
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reversible Single-Molecule Switching in an Ordered Monolayer Molecular Dipole Array (2012)
  • Author(s): Yu Li Huang, Yunhao Lu, Tian Chao Niu, Han Huang, Satoshi Kera, Nobuo Ueno, Andrew Thye Shen Wee, and Wei Chen
  • Journal Title: Small Volume: 8 Pages: 1423-1428
  • DOI: 10.1002/smll.201101967
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recoil effects in valence photoemission from simple molecules and clusters (2012)
  • Author(s): M.-H. Shang, T. Fujikawa, and N. Ueno
  • Journal Title: e-Journal of Surf. Sci. and Nanotech. Volume: 10 Pages: 128-132
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2012.128
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Accessing surface Brillouin zone and band structure of picene single crystals (2012)
  • Author(s): Qian Xin, Steffen Duhm, Fabio Bussolotti, Kouki Akaike, Yoshihiro Kubozono, Hideo Aoki, Taichi Kosugi, Satoshi Kera, and Nobuo Ueno
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 108 Pages: 226401-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.226401
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Post-growth surface smoothing of thin fims of diindenoperylene (2012)
  • Author(s): A. Hinderhofer, T. Hosokai, K. Yonezawa, A. Gerlach, K. Broch, C. Frank, K. Kato, J. Novӑk, S. Kera, N. Ueno, and F. Schreiber
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 101 Pages: 033307-1-4
  • DOI: 10.1063/1.4737168
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Potassium doping of single crystalline pentacene thin film (2012)
  • Author(s): F. Bussolotti, S. Kera, and N. Ueno
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 86 Pages: 155120-1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.86.155120
  • Peer Reviewed
• [Presentation] π共役系有機分子の吸着によって形成される電荷移動準位の発現条件 (2013)
  • Author(s): 細貝拓也, 米澤恵一朗, 加藤賢悟, 上野信雄, 解良聡
  • Organizer: 第60回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 20130315-20130318
• [Presentation] 気相高分解能光電子分光装置の開発と有機半導体材料の電子状態評価 (2013)
  • Author(s): H.Wulijitaogetao，上野信雄, 解良聡
  • Organizer: 第60回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 20130315-20130318
• [Presentation] 光電子分光法による配向制御Picene膜の電子構造の観察 (2013)
  • Author(s): 牧野凜太朗，米澤恵一朗，加藤賢悟，アレクサンダーヒンダホファー，細貝拓也, 解良聡, 上野信雄
  • Organizer: 第60回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 20130315-20130318
• [Presentation] 有機分子薄膜の電子状態への分子間分極効果の影響 (2013)
  • Author(s): 米澤 恵一朗，Jia-Lin Zhang , Swee Liang Wong, Tianchao Niu, Alexander Hinderhofer, Wei Chen, 上野 信雄, 解良 聡
  • Organizer: 第60回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 20130315-20130318
• [Presentation] Impact of intermolecular polar bond on electronic state at organic donor/accepter heterojunction, (2013)
  • Author(s): K. Yonezawa, J.-L. Zhang, S. L. Wong, T Niu, A. Hinderhofer, W. Chen, N. Ueno, and S. Kera
  • Organizer: The 7th Int. Conf. on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE7)
  • Place of Presentation: Fukuoka, Japan
  • Year and Date: 20130315-20130317
• [Presentation] Temperature dependent growth and dewetting behavior of tetraseleno-tetracene on Au(111) and Ag(111) studied by photoelectron spectroscopy (2013)
  • Author(s): J. Niederhausen, S. Duhm, C. Bürker, Q. Xin, A. Wilke, A. Vollmer, F. Schreiber, S. Kera, N. Ueno, and N. Koch
  • Organizer: DPG Spring Meeting
  • Place of Presentation: Regensburg, Germany
  • Year and Date: 20130310-20130315
• [Presentation] The effects of oxygen exposure on copper phthalocyanine thin films (2013)
  • Author(s): T. Sueyoshi, M. Ono, H. Tomii, M. Nakamura, and N. Ueno
  • Organizer: DPG Spring Meeting
  • Place of Presentation: Regensburg, Germany
  • Year and Date: 20130310-20130315
• [Presentation] MoO3 based intermediate connector in tandem OLED: electric field assist charge generation and separation process (2012)
  • Author(s): J. Yang, Y. Xiao, S. Duhm, Y. Li, J. Tang, S. Kera, and N. Ueno
  • Organizer: 10th International Conference on Nano-Molecular Electronics (ICNME2012),
  • Place of Presentation: Awaji, Hyogo, Japan
  • Year and Date: 20121214-20121214
• [Presentation] Geometric and Electronic Structure of Templated C60 on Diindenoperylene Thin Films (2012)
  • Author(s): A. Hinderhofer, K. Yonezawa, K. Kato, S. Kera, N. Ueno, T. Hosokai, A. Gerlach, K. Broch, F. Schreiber
  • Organizer: 10th International Conference on Nano-Molecular Electronics (ICNME2012)
  • Place of Presentation: Awaji, Hyogo, Japan
  • Year and Date: 20121212-20121214
• [Presentation] Quantitative Study for Photoelectron Angular Distribution of Transition-metal Phthalocyanine Thin Films on Graphite (2012)
  • Author(s): Y. Liu, M. Nagaosa, S. Kera, N. Ueno, S. Nagamatsu
  • Organizer: 10th International Conference on Nano-Molecular Electronics (ICNME2012)
  • Place of Presentation: Awaji, Hyogo, Japan
  • Year and Date: 20121212-20121214
• [Presentation] Gap states in Pentacene thin film induced by gas exposure (2012)
  • Author(s): F.Bussolotti, S.Kera and N.Ueno
  • Organizer: 10th International Conference on Nano-Molecular Electronics (ICNME2012),
  • Place of Presentation: Awaji, Hyogo, Japan
  • Year and Date: 20121212-20121214
• [Presentation] Surface Science on Insulators: Electronic Band Structure and Surface Brillouin Zone of Organic Single Crystals (2012)
  • Author(s): S. Duhm, Q. Xin, S. Kera and N. Ueno
  • Organizer: 2012 MRS Fall Meeting
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 20121125-20121130
• [Presentation] Angle-resolved UPS intvestigation of transition-metal phthalocyanine thin films on graphite (2012)
  • Author(s): Y. Liu, M.Yamamoto, K. Yonezawa, N. Tran, N. Ueno, and S. Kera,
  • Organizer: UVSORシンポジウム
  • Place of Presentation: Okazaki
  • Year and Date: 20121110-20121111
• [Presentation] A Quantitative Study for Photoelectron Angular Distribution of Nickel-phthalocyanine Thin Film by Multiple-Scattering Theory combined with Molecular Orbital Calculation (2012)
  • Author(s): Yuan LIU, Satoshi KERA, Shinichi NAGAMATSU, Nobuo UENO
  • Organizer: 日本コンピュータ化学会2012秋季年会
  • Place of Presentation: 山形大学
  • Year and Date: 20121013-20121014
• [Presentation] Nature of Organic Semiconductor: Origin of Gap States in Pentacene (2012)
  • Author(s): N. Ueno
  • Organizer: Int. Symposium on Organic Electronics 2012 (1SOE2012)
  • Place of Presentation: Okinawa, Japan
  • Year and Date: 20121003-20121005
  • Invited
• [Presentation] Impacts of Molecular Orientations on Interface Electronic Structures (2012)
  • Author(s): Y.L. Huang, W. Chen, T. C. Niu, F. Bussolotti, H. Huang, A. S. T. Wee, N. Ueno, S. Kera,
  • Organizer: The 12th International Conference on Electron Spectroscopy and Structure (ICESS12)
  • Place of Presentation: Saint-Malo, France
  • Year and Date: 20120916-20120921
• [Presentation] Accessing Surface Brillouin Zone and Band Structure of Insulating Picene Single Crystals (2012)
  • Author(s): S. Kera, Q. Xin, S. Duhm, F. Bussolotti, Y. Liu, K. Akaike, Y. Kubozono, H.Aoki, T. Kosugi, N. Ueno
  • Organizer: The 12th International Conference on Electron Spectroscopy and Structure (ICESS12)
  • Place of Presentation: Saint-Malo, France
  • Year and Date: 20120916-20120921
• [Presentation] 振動分光によるルブレン分子の吸着骨格構造と分子配向 (2012)
  • Author(s): 西村孝宏，佐藤一至，岩澤和明，解良聡，上野信雄
  • Organizer: 2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 愛媛大学
  • Year and Date: 20120911-20120914
• [Presentation] Post-growth surface smoothing of thin films of diindenoperylene (2012)
  • Author(s): A. Hinderhofer, T. Hosokai, K. Yonezawa, A. Gerlach, K. Kato, K. Broch, C. Frank, J. Novák, S. Kera, N. Ueno, F. Schreiber
  • Organizer: 2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 愛媛大学
  • Year and Date: 20120911-20120914
• [Presentation] Electronic structure and molecular orbital symmetry of picene film (2012)
  • Author(s): S. Kera, Y. Liu, S. Nagamatsu, S. Hosoumi and N. Ueno,
  • Organizer: 14th International Conference on Organized Molecular Films (ICOMF14) - LB14
  • Place of Presentation: Paris, France
  • Year and Date: 20120710-20120713
• [Presentation] Effects of interface crystallinity on the energy‐level alignment at organic/organic heterojunctions (2012)
  • Author(s): K. Yonezawa, A. Hinderhofer, T. Hosokai, K. Kato, F. Schreiber, N. Ueno, S. Kera
  • Organizer: 14th International Conference on Organized Molecular Films (ICOMF14) - LB14
  • Place of Presentation: Paris, France
  • Year and Date: 20120710-20120713
• [Presentation] UPS on electrical conductivity of organic solids :Correlating electronic states and electrical property (2012)
  • Author(s): N.Ueno
  • Organizer: Int. Conf. on Science and Technology of Synthetic Metals 2012 (ICSM-2012)
  • Place of Presentation: Atlanta, USA
  • Year and Date: 20120708-20120713
  • Invited
• [Presentation] Impact of Structural Disorder on The Electronic Properties of Oraganic Thin Films (2012)
  • Author(s): F. Bussolotti, S. Kera, and N. Ueno
  • Organizer: Int. Conf. on Science and Technology of Synthetic Metals 2012 (ICSM-2012)
  • Place of Presentation: Atlanta, USA
  • Year and Date: 20120708-20120713
• [Presentation] Quantitative analysis for Photoelectron Angular Distribution of Picene Thin Film (2012)
  • Author(s): Y. Liu, M. Nagaosa, S. Kera, N. Ueno
  • Organizer: 第7回有機デバイス院生研究会
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 20120628-20120630
• [Presentation] Unraveling mysteries in organic semiconductors: Charge mobility and energy level alignment (2012)
  • Author(s): N.Ueno
  • Organizer: Organic Semiconductor Workshop 2012(OSC-2012)
  • Place of Presentation: Changsha, China
  • Year and Date: 20120603-20120604
  • Invited
• [Presentation] 有機半導体の本性と電子状態
  • Author(s): 上野信雄
  • Organizer: 第26回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジューム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Invited
• [Book] 現代表面科学シリーズ 第1巻，「表面科学こと始め」，第8章「熱電子の研究とリチャードソン効果の発見」 (2012)
  • Author(s): 上野信雄
  • Total Pages: 15
  • Publisher: 共立出版株式会社
• [Book] Energy Level Alignment at Semiconductive Polymer Interfaces: Correlating Electronic Energy Levels and Electrical Conductivity in "Semiconducting Polymer Composites", Chap. 3 (2012)
  • Author(s): Nobuo Ueno
  • Total Pages: 42
  • Publisher: Wiley
• [Book] Electronic Structure of Molecular Solids: Bridge to the Electrical Conduction in “Physics of Organic Semiconductors”, Chap. 3 (2012)
  • Author(s): Nobuo Ueno
  • Total Pages: 25
  • Publisher: Wiley
• [Remarks] 千葉大学 Ueno Lab.
  • URL: http://ulab-www.tf.chiba-u.jp
• [Remarks] 文部科学省グローバルCOEプログラム 有機エレクトロニクス高度化スクール
  • URL: http://www.gcoe.tf.chiba-u.jp