2013 Fiscal Year Research-status Report
有機半導体薄膜の導電性基板界面の構造調整による電子物性制御
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25410093
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
佐藤 直樹 京都大学, 化学研究所, 教授 (10170771)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
MURDEY Richard 京都大学, 化学研究所, 助教 (20447931)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 有機エレクトロニクス / 有機半導体薄膜 / 鉛フタロシアニン / 電極界面 / ブロッキング電極 / 整流特性 / トラップ準位 / 電荷注入障壁 |
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| Research Abstract |
有機エレクトロニクス素子構築に不可欠な有機半導体薄膜の導電性基板との界面について、個々の素子に依らない基本的な重要問題に取り組むため、1) 導電性基板の選択に伴う構造的・電子構造的要因の解明、2) 基板上に形成する有機半導体薄膜の成長過程の把握、3) 基板界面や成長に伴う薄膜の構造挙動と電荷担体の発生・消滅の相関解明、4) 電荷担体輸送の膜構造依存性の精査、5) 外場印加や光照射などによる界面環境と電荷挙動の追跡を系統的に行い、得られる結果を総括して、導電性基板との界面をもつ有機半導体薄膜の電子物性を制御する根本要因を明らかにすることが本研究の目的である。
初年度は、有機素子の金属電極がその仕事関数だけで選択されている現状への疑問から、異なる金属と有機半導体薄膜の系を対象に、有機半導体薄膜の成長過程で電気的測定の「その場」観測可能な超高真空実験装置を駆使して、上記の1,3,5) に注力した。また、多様な素子構造への対応も考えて機能を拡張した実験装置の設計・製作も始め、既存装置の改良にも資するその一部は試用も図った。
特にチタンを電極とする鉛フタロシアニン薄膜の二端子素子について、十分に構造制御した薄膜への高いバイアス電圧印加が整流特性を誘起し、印加方向によるその活性化エネルギーの平衡値からのシフトを観測した。この結果は、素子電流が電荷の注入制限を受けたためと考えられる。ブロッキング電極の界面で薄膜中のトラップ準位が金属電極のフェルミ準位との熱平衡から効果的にピン止めされ、トラップされた空間電荷の量が電荷注入障壁の大きさを決めるためと考えられる。
従って、導電性基板との界面をもつ有機半導体薄膜の電子物性を制御するには、単に個々の素子成分の物理パラメーターに基づく考えでは不十分で、主に構造に起因する界面の状態、特に薄膜中のトラップ状態についての考察と制御が不可欠であることが判った。
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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
本研究では、有機半導体薄膜の導電性基板との界面に関する基本的な重要問題に取り組むため、「研究実績の概要」にも記した五つの観点・サブテーマ設定に基づく研究展開を図っている。初年度は、異なる金属と有機半導体薄膜の系を対象とし、有機半導体薄膜の成長過程で電気的測定の「その場」観測可能な超高真空実験装置を駆使して、当初の予定どおり三つの観点に重きを置いて実験を進め、いずれも十分に有用なデータを取得できた。それらのデータを相互に照らしつつ解析を進め、「概要」に記載の成果を得た。
また、多様な素子構造への対応も考えて機能を拡張した実験装置の設計・製作も始め、既存装置の改良にも資するその一部は試用も図ったが、所期の性能を満たすためには経費の追加を要することが判り、その点に関しては次年度に持ち越すこととした。
しかし、本研究の目的を達成するための実施状況としては、得られた成果は次段の研究遂行にとって十分なものと考えられるため、達成度としては上記のように判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
有機エレクトロニクスの将来に及ぶ発展に資するため、有機半導体薄膜の導電性電極基板との界面に係る基本的な未解決問題について、電荷担体（キャリヤ）に注視して解明を目指すため、本研究では、超高真空中で導電性基板上に有機半導体薄膜を調製しつつその電導性や光伝導性を「その場」観測する実験方法を駆使して臨んでいる。
主に電極界面に焦点を当てて実施した初年度の研究を受け、特に金属電極のフェルミ準位にピン止めされる有機半導体薄膜中のトラップ準位の挙動が素子動作に決定的な影響を及ぼすことを明らかにした結果を踏まえ、次年度は有機薄膜により重きを置きつつ取り組む。
そのため、上記の実験方法に関して、初年度に着手した実験装置の機能拡張設計・製作とその一部の既存装置の改良への適用も進める。そのポイントは薄膜調製・電気測定時の温度範囲を低温側に広げることにあり、特に膜構造の制御性のダイナミックレンジ拡張を主眼としている。
このような実験方法の改良や最適化を図りつつ他の方法論も交えて、有機半導体の薄膜形成に伴う構造挙動に注目し、基板上に形成される有機半導体薄膜の成長過程の把握と電荷担体輸送の膜構造依存性の精査を軸として、界面電子挙動のより俯瞰的・有機的な情報獲得に努める。対象としては初年度と同様の系を基礎とするが、新たに得られた知見から予見される電子現象の確認のために別の素子構造を構築してその挙動を実測することも考えている。いずれにせよ、導電性基板の調製方法や電子構造にも直結する分子の構造・静電特性等を念頭に置いた有機半導体の選択と薄膜形成法に注意を払い、得られる情報の多角化と精度向上を図る。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
導電性基板調製用の高純度金属材料を購入予定であったが、経費不足のため次年度使用とした。
導電性基板調製用の高純度金属材料を次年度経費と合わせて購入予定である。
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[Journal Article] Quantitatively identical orientation-dependent ionization energy and electron affinity of diindenoperylene2013
Author(s)
Weining Han, Keiichiro Yonezawa, Rintaro Makino, Kengo Kato, Alexander Hinderhofer, Richard Murdey, Ryo Shiraishi, Hiroyuki Yoshida, Naoki Sato, Nobuo Ueno, Satoshi Kera
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Journal Title
Appl. Phys. Lett.
Volume: 103
Pages: 253301
DOI
Peer Reviewed
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