2015 Fiscal Year Annual Research Report
有機半導体のドーピングにおける分子レベル構造変化と電子物性改質の相関
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26286011
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
佐々木 正洋 筑波大学, 数理物質科系, 教授 (80282333)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
若山 裕 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクストニクス研究拠点, MANA研究者 (00354332)
山田 洋一 筑波大学, 数理物質系, 講師 (20435598)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 有機半導体 / ドーピング / 単分子層 / 多分子層 / 分子配置 / 電子状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、低分子系有機半導体のドーピングの解明を目指し、よく定義されたモデル系の確立と、それらを利用し分子レベル構造計測と巨視的電気特性計測とを緊密に関連付けた研究を実施することを目的とする。本研究の初期段階においては、単分子層を対象とした研究を行った。特に、ピセンやコロネン、フタロシアニンなどの芳香族低分子にアルカリ原子を添加した系の単分子層に着目してきた。この系の構造をSTMを用いて分子レベルで明らかにし、対応する電子状態を光電子分光で解析した。これらにより、ドープ系における分子レベル構造と電子状態との強い相関が明らかになった。
これを受け、平成27年度においては、モデル系として単分子層より実用素子に適用しやすい多層膜モデルの構築を目指した。このために、ピセンやDNTTなどの分子間力が強く、バルクの結晶性が高い有機半導体分子に着目し、これらを用いて良質の多層膜の作製を試みた。その結果、つぎの二つの観点の発見があった。
(1)これらの有機半導体低分子は、無機半導体の知見では理解できない特殊な成長様式を取ることがわかった。両分子は、単分子層を形成したのち、単分子層上に巨大な3D結晶を生成する。この時3D結晶の配向方向が基板表面の結晶を反映することがわかった。これを利用すると高配向の3D結晶膜の実現につながる。
(2)一方、このような特異な成長の基板依存性を調べたところ、多くの平坦基板では同様な成長をするが、異方的な構造を持つ表面上では、表面のテンプレート効果を利用することで、4分子層程度の層状成長が可能になることが分かった。この時電子状態はバルクのそれと非常に近いものであることが分かった。
現在上記の二点の発見に関する論文を投稿中である。
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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
本研究において、単分子層モデルでの経験を活かし、実用素子に適用が容易な多分子層での研究に展開することは、本研究における最も重要なポイントであった。予定通り、そのような展開を実現するとともに、これまでの研究で見落とされてきた、単分子層と多分子層の幾何的配置、電子状態に関する相関が、始めて明らかになったことは、学術的に極めて意義深いものであると考えられる。これまで、電子状態に関してKEKで主に計測を行ってきたが、さらに、分子科学研究所での計測を付加することにより、より深い理解が可能になった。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究結果を受け、平成28年度においては、巨視的電気計測に適したよく定義された多分子層のモデル系を最適化し、そのドーピングに伴う電気特性変化の計測を中心とした研究を行う。
本年度の研究の第一段階としては、STMを用い、構造制御された多分子層への異種金属及び分子のドーピング実験を行う。ここでは、幾つかの異なる基板表面を用いることで、電気特性計測に適したモデル系を構築する。この時基板表面として、なるべく電気伝導性の小さな基板が望ましい。現状では金属表面上を単原子層のBNで終端したものを基板として用いることを予定している。
第二段階の電気特性計測は、温度可変四探針プローバにより行う。この実験は主にNIMS若山博士の所有の実験装置を利用する予定であったが、NIMSの組織改編のため、実験室の移動が必要となる。このため実験装置の移動及び立ち上げ作業が必要となり、研究が遅延する可能性がある。
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| Causes of Carryover |
研究分担者の所属機関において大規模な組織改編があり、実験設備等の移動が必要となった。これによって、巨視的測定が大幅に遅れるとともに、巨視的測定に向けての筑波大研究代表者、研究分担者の準備を十分に進めることができなかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
研究分担者側の機関での装置の再構築が完了し次第、集中的に、巨視的測定を実施する予定であり、そのための物品費として使用予定である。
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Research Products
(7 results)
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[Journal Article] Thickness and Substrate Dependent Thin Film Growth of Picene and Impact on the Electronic Structure2015
Author(s)
T. Hosokai, A. Hinderhofer, F. Bussolotti, K. Yonezawa, C. Lorch, T. Watanabe, A. Vorobiev, Y. Hasegawa, Y. Yamada, Y. Kubozoro, A. Gerlach, S. Kera, F. Schreiber, N. Ueno
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Journal Title
J. Phys. Chem. C
Volume: 119
Pages: 29027-29037
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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