2014 Fiscal Year Research-status Report
有機半導体マイクロリング結晶における高Q値リング共振器の研究
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26400314
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
阪東 一毅 静岡大学, 理学(系)研究科(研究院), 講師 (50344867)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | （チオフェン／フェニレン）コオリゴマー / リング共振器 / ウィスパリングギャラリーモード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（チオフェン／フェニレン）コオリゴマー（TPCO）結晶は光励起レーザー発振や発光トランジスタの実現など極めて有望な有機光半導体として注目を集めている。これまでTPCOをKCl基板上に気相成長するとニードル状構造の結晶が基板結晶に対してエピタキシャルに成長することが報告されていた。申請者はこの手法で作製されたTPCOナノニードル結晶がファブリーペロー共振器として機能することをこれまで明らかにした。最近になりKCl基板上に稀にマイクロリング状結晶が同時形成していることを見出した。この結晶はリング共振器として機能し、極めて高いQ値とフィネスを示すウィスパリングギャラリーモード（WGM）の形成が発光スペクトルから確認された。本研究では特にTPCOの一種であるBP1Tを用いて研究を行った。BP1Tを気相成長することにより直径1～数ミクロン程度のマイクロリング結晶がKCl結晶上に作製されていることを光学顕微鏡及び原子間力顕微鏡で確認した。これらはKCl結晶表面上に存在するディスク状原子ステップ周囲に形成されたものと考えられる。この単一のマイクロリング構造について顕微発光分光を行いその発光スペクトルを調べた結果、複数の極めて鋭い発光ピークのシリーズが観測された。これらの発光線幅は分光器の分解能程度であり、確認できる範囲では共振器Q値が最大2000程度にもなった。さらにフィネスは最大30程度となることがわかり、これらのQ値及びフィネスは有機材料を持ちいたWGMが現れる構造としては報告されている中では最大の値を示すことがわかった。これは自己組織的に形成されるリング状結晶の構造の結晶表面が極めてなめらかであるため、リング共振器として優れた機能を有していると考えられる。
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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
これまで気相成長によりKCl結晶表面上にBP1Tを成長させてきたが、リング状構造確認できた例は極めて少なくKCl表面上に1個/cm2程度しか見いだすことができていなかった。形成メカニズムが十分理解できておらず、どのような成長条件が有効であるか把握できていなかったため、非効率に作業を進めてきた。しかし最近になり気相成長の最適温度条件を探しより効率的に多数のリング状構造を作製することに成功した。現時点で形成メカニズムはまだ理解できていないが、一つのKCl基板上に複数個のリング状構造が確認でき、作製方法に改善が見られた。
このように多数のリング状構造が得られたため、顕微発光分光測定を行うことにより様々なサイズ・状態のリング状構造の共振器特性について調べることができた。そしてリングのサイズによる共振器特性の依存性の詳細について多数の情報が得られた。特にリング共振器の性能として共振器Q値とフィネスがこれまで観測された中でも最大の値（Q値：2000程度、フィネス：30程度）を示すリング結晶を見出すことができた。これらの値は他グループによる有機材料系のリング共振器の中では最大の値であり、本研究で得られる自己組織化リング結晶が極めて優れたリング共振器として機能することを示すことができた。以上のことから本研究がおおむね順調に進展していると結論することができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
現時点での課題点として、自己組織化リング結晶の成長メカニズムがまだ十分に解明されていないことがあげられる。これはより効率的なリング状構造の作製のために極めて重要な情報となる。この課題については、リング結晶の構造評価が重要であり今後は光学顕微鏡だけでなく、原子間力顕微鏡及び走査型電子顕微鏡を併用してその立体的構造の詳細を明らかにする。このとき、結晶を成長する前の基板表面の状況が極めて重要であると考えられることから、成長前と後の基板表面の様子を詳細に調べる。
また様々なリング結晶の共振器性能を調べることが可能となったが、その共振器特性のリング依存性（サイズやミクロな表面の構造）などの詳細はまだ調べられていない。サイズとミクロな表面構造は共振器特性に極めて顕著に影響すると考えられることから、リング結晶の詳細な構造評価と共振器特性を対応付けて議論する必要があると考えられる。特に、よりサイズの小さなリング結晶では形状による損失が大きくなるために共振器特性が低くなると考えられるが、非常に小さな約1ミクロン径のリング結晶においても大きな共振器Q値が観測されている。これらの詳細についてより高分解能な発光スペクトル測定と詳細な構造評価を行っていく必要があると考えられる。
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