巨大分子吸着系における価電子帯ホール・振動結合:有機電荷輸送機構の解明

• 研究課題/領域番号: 17685019
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 機能材料・デバイス
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 解良 聡 千葉大学, 大学院・融合科学研究科, 准教授 (10334202)
• 研究期間 (年度): 2005 – 2007
• 研究課題ステータス: 完了 (2007年度)
• 配分額: 29,640千円 (直接経費: 22,800千円、間接経費: 6,840千円); 2007年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2006年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2005年度: 19,760千円 (直接経費: 15,200千円、間接経費: 4,560千円)
• キーワード: 表面界面物性 / 有機半導体 / 電子分光 / 薄膜 / 分子配向 / 有機デバイス

研究概要

本研究では有機半導体薄膜特有の電子構造について「分子振動」というキーワードを掲げて研究を行った。弱い相互作用で結ばれた分子性固体中の電荷の動きを如何にして捉えるか、電子論物理的に記述できるかが命題である。光電子分光法という古来の手法を高精度測定を通じて有機半導体の系に斬新に活用することにより、ホッピング伝導の重要な要素である再配向エネルギーとトランスファー積分の両者に直接的に踏み込むことができた。ここで見出された、グラファイト基板上に分子を真空蒸着する手法により、これまで埋もれていた微細情報をあらわにすることに成功し、有機半導体の移動度の「第一原理測定」法としてのノウハウを蓄積した。
一例として、n型半導体として知られるフッ素化ペンタセン分子の吸着膜を作製したところ、二分子層において特徴的な二量体構造を形成することを見出した。高分解能光電子分光測定の結果、単量体と二量体の電子構造の変化は劇的であり、エネルギー準位分裂によるトランスファー積分と、二量体化による再配向エネルギーの減少を直接捉えることに成功した。つまり分子性固体のような弱い相互作用(ファンデアワールスカ)により支配される系において、明らかに分子間相互作用によるエネルギー変化が生じており、その軌道間の相互作用は従来考えられてきた値よりも遙かに大きいことを示すことに成功した(投稿準備中)。二量体における分裂測定は、バルク(結晶)においてエネルギーバンド分散が形成される過程の最も初期段階の電子構造を捉えたことになり、孤立分子系からの一連の弱い相互作用系の電子論が議論可能となったと言える。本課題を通じて得られた結果に関してレビュー誌を2報投稿中である。
有機電荷輸送機構の全容解明には至っていないが、多くの周辺物理も同時に見出されており、分子性固体における基盤学理構築へ向けて確実に前進したといるといえる。

研究成果

• [雑誌論文] A multi-technique investigation of TiO_2 films prepared by magnetron sputtering (2008)
  • 著者名/発表者名: M.B. Casu, et. al.
  • 雑誌名: Surface Science 602 ページ: 1599-1606
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chage in molecular conformation of dibenzo-crown ether induced by weak molecular-substrate interaction (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Hosokai, et. al.
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 112 ページ: 4643-4648
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of intrinsic band-gap states for the energy level alignment at weakly interacting organic-conductor interfaces: Gap states versus band dispersion in pentacene thin films (2007)
  • 著者名/発表者名: N.Ueno, et. al.
  • 雑誌名: SPIE Proceedings 6656
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of polarization effects in organic thin films by surface core-level shifts (2007)
  • 著者名/発表者名: M.B. Casu, et. al.
  • 雑誌名: Physical Review B 76
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoemission microspectroscopy and imaging of bilayer islands formed in monolayer titanyl phthalocyanine films (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Sugiyama, et. al.
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 449 ページ: 319-322
  • 査読あり
• [雑誌論文] Substrate dependent molecular orientation in thin films of bisazomethinedye studied by metastable atom electron spectroscopy and ultraviolet photoelectron spectroscopy (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Hosokai, et. al.
  • 雑誌名: Molecular Crystal and Liquid Crystal 472 ページ: 43-50
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Control of Electronic States Spreading Outside the Conjugated Polymer Surface in Organic Electronics Materials, Devices and Applications (2007)
  • 著者名/発表者名: X.T. Hao, et. al.
  • 雑誌名: MRS Symposium Proceedings 965E
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple Scattering Approach to Polarization Dependence of F K-Edge XANES Spectra for Highly Oriented Polytetrafluoroethylene (PTFE) Thin Film (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Nagamatsu, et. al.
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 882 ページ: 514-516
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of intramolecular vibrations in charge redistribution at the pentacene-graphite interface (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Fujii, et. al.
  • 雑誌名: Surface Science 601 ページ: 3765-3768
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of the Interchain π-π Interaction and Electron Density Distribution at the Surface of Conjugated Poly (3-hexylthiophe) Thin Films (2007)
  • 著者名/発表者名: X.T. Hao, et. al.
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 111 ページ: 10365-10372
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation Conditions of Pentacene Mnonolayer on Graphite Surface Studied by Photoemisson Electron Microscopy (2007)
  • 著者名/発表者名: M. Shionoiri, et. al.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 46 ページ: 1625-1629
  • 査読あり
• [雑誌論文] Angle-resolved UV photoelectron spectroscopy of titanyl phthalocyanine monolayer film on graphite (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kera, et. al.
  • 雑誌名: Journal of ElectronSpectroscopy and Related Phenomena 156-158 ページ: 135-138
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoelectron Angular Distribution of 3d-orbital Dereived Bands in Mn-Phthalocyanine Monolayer (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kera, et. al.
  • 雑誌名: UVSOR Activity Report 2006 ページ: 115-115
• [雑誌論文] Spectroscopic evidence of strong pi-pi interorbital interaction in a lead-phthalocyanine bilayer film attributed to the dimer nanostructure (2007)
  • 著者名/発表者名: S.Kera et al.
  • 雑誌名: Physical Review B (Rapid Communication) 75 ページ: 121305-4
• [雑誌論文] The Role of Ionization Potential in Vacuum-level Alignment at Organic Semiconductor Interfaces (2007)
  • 著者名/発表者名: H.Fukagawa et al.
  • 雑誌名: Advanced Materials 19 (5) ページ: 665-668
• [雑誌論文] Surface photodegradation of poly (vinylidene fluoride) by inner-shell excitation (2006)
  • 著者名/発表者名: K.K.Okudaira et al.
  • 雑誌名: Surface Review and Letters 13 ページ: 259-263
• [雑誌論文] Ion desorption by inner-shell excitation and photodegradation of poly (vinylidene fluoride) (2006)
  • 著者名/発表者名: K.K.Okudaira et al.
  • 雑誌名: Materials Research Society Symposium Proceedings 887 ページ: 243-248
• [雑誌論文] VUV induced doping of Cu-phthalocyanine thin films : A possibility of n-type doping (2006)
  • 著者名/発表者名: M.Ono et al.
  • 雑誌名: Molecular Crystals and Liquid Crystals 455 ページ: 251-256
• [雑誌論文] Hole-Vibration Coupling in the Uppermost Valence Band Photoemission of Pentacene Monolayer on Graphite (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Yamane et al.
  • 雑誌名: Molecular Crystals and Liquid Crystals 455 ページ: 235-240
• [雑誌論文] Intermolecular and inter-layer interactions in copper phthalocyanine films as measured with microspot photoemission spectroscopy (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Sugiyama et al.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 89 ページ: 202116-3
• [雑誌論文] The Role of Ionization Potential in Vacuum-level Alignment at Organic Semiconductor Interfaces (2006)
  • 著者名/発表者名: X.T.Hao et al.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 89 ページ: 182113-3
• [雑誌論文] Radiation damage to alkyl chain monolayers on semiconductor substrates investigated by electron spectroscopy (2006)
  • 著者名/発表者名: F.Amy et al.
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry 110(43) ページ: 21826-21832
• [雑誌論文] High-resolution inner-shell excitation spectroscopy of H2-phthalocyanine (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Kera et al.
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 125 ページ: 14705-14708
• [雑誌論文] Origin of Highest Occupied Band Position and Width of Pentacene Films : Hole Stabilization vs. Band Dispersion (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Fukagawa et al.
  • 雑誌名: Physical Review B 73 ページ: 245310-5
• [雑誌論文] Quantitative analysis of photoelectron angular distribution of single-domain organic monolayer film : NTCDA on GeS(001) (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Kera et al.
  • 雑誌名: Chemicai Physics (In press)
• [雑誌論文] Does the molecular orientation induce an electric dipole in Cu-phthalocyaninethin films? (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Yamane et al.
  • 雑誌名: J. Applied Physics (In press)
• [雑誌論文] Growth mode and molecular orientation of phthalocyanine molecules on metal single crystal substrates : a NEXAFS and XPS study (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Kera et al.
  • 雑誌名: Surface Science 600 ページ: 1077-1077
• [雑誌論文] Experimental Estimation of Molecular Dipole Moment and Polarizability of Titanyl Phthalocyanine Using Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Fukagawa et al.
  • 雑誌名: Physical Review B (Rapid) 73 ページ: 41304-41304
• [雑誌論文] UPS fine structures of highest occupied band in vanadyl-phthalocyanine ultrathin film (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Fukagawa et al.
  • 雑誌名: J.Electron Spectroscopy Related Phenomena 144-147 ページ: 475-475
• [雑誌論文] Hole-vibration coupling of the highest occupied state in pentacene thin films (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Yamane et al.
  • 雑誌名: Physical Review B 72 ページ: 153412-153412
• [雑誌論文] Fine structure of the highest occupied band in OTi-phthalocyanine monolayer (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Yamane et al.
  • 雑誌名: Synthetic Metals 152 ページ: 297-297
• [雑誌論文] Multiple-Scattering Approach, to Angle-Resolved Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy of Large Molecules (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Nagamatsu et al.
  • 雑誌名: e-J.Surf.Sci. Nanotech 3 ページ: 461-461
• [雑誌論文] Direct Observation of the HOMO-hole/Vbration Coupling in Pentacene Thin Films by means of High-Resolution Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Yamane et al.
  • 雑誌名: IPAP Conference Series 6 ページ: 19-19
• [雑誌論文] Possibility of the Fermi Level Control by VUV-Induced Doping of an Organic Thin Film : Polytetrafluoroethylene (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Ono et al.
  • 雑誌名: IPAP Conference Series 6 ページ: 27-27
• [雑誌論文] Effects of the Dipole Density on the Electronic Structures of Oriented Thin Films of the Polarized Organic Molecule (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Fukagawa et al.
  • 雑誌名: IPAP Conference Series 6 ページ: 73-73
• [雑誌論文] Deep Insight into a Valence Hole in Organic Semiconductors : High-Resolution Ultraviolet Photoemission Spectroscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Kera et al.
  • 雑誌名: IPAP Conference Series 6 ページ: 51-51
• [学会発表] Hopping mobility of perfluoropentacene films measured with high-resolution UPS: Impacts of intermolecular interaction on the hole-vibration coupling (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kera, et. al.
  • 学会等名: Materials Research Society fall meeting 2007
  • 発表場所: Boston (USA)
  • 年月日: 2007-11-26
• [学会発表] Work-Function-Dependent Hole Injection Barrier at Organic/Metal Interface: The Role of Band Tailing in Pentacene Aggregates (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kera, et. al.
  • 学会等名: The 4th Workshop on Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications
  • 発表場所: Chiba
  • 年月日: 2007-10-09
• [学会発表] High-resolution UPS as a Strategy for Finding an Active Organic Material (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kera, et. al.
  • 学会等名: The 4th Workshop on Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications
  • 発表場所: Chiba
  • 年月日: 2007-10-08
• [学会発表] Change in molecular conformation of dibenzo-crown ether on graphite surface studied by u1traviolet photoelectron and metastable atom electron spectroscopy (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Hosokai, et. al.
  • 学会等名: Europiane conference of molecular electronics 2007
  • 発表場所: Metz(France)
  • 年月日: 2007-09-08
• [学会発表] Spectroscopic evidence of valence interorbital interaction in a lead-phthal ocyanine bilayer film (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kera, et. al.
  • 学会等名: The 15th international conference on vacuum ultla violet radiation physics
  • 発表場所: Berlin(Germany)
  • 年月日: 2007-07-29
• [学会発表] Direct detection of the gap states in C60 thin films by high-sensitivity UPS (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Sueyoshi, et. al.
  • 学会等名: The 15th international conference on vacuum ultra violet radiation physics
  • 発表場所: Berlin(Gemany)
  • 年月日: 2007-07-29
• [学会発表] Charge transport in organic semiconductor film: effects of fluorination on the charge reorganization energy of pentacene (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kera, et. al.
  • 学会等名: International workshop on Super-functionality organic devices
  • 発表場所: Chiba
  • 年月日: 2007-07-19
• [学会発表] Electron-phonon coupling measured with high-resolution UPS: Effects of fluorination on the charge reorganization energy of pentacene films (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kera, et. al.
  • 学会等名: 17th International Vacuum Congress, 13th Internati onal Conference on Surface Science, International Conference on Nano Science and Technology
  • 発表場所: Stockholm(Sweden)
  • 年月日: 2007-07-04
• [学会発表] Role of Band Gap States in Pentacene Aggregates: Control of Hole Injec tion Barrier by Fermi-level Pinning (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kera, et. al.
  • 学会等名: The Fourth International Conference on Molecular Electronics and Bicelectronics
  • 発表場所: Tokyo
  • 年月日: 2007-03-15
• [備考]
  • URL: http://ulab-www.tf.chiba-u.jp/