キャリア輸送理論に基づく高移動度有機半導体設計

• 研究課題/領域番号: 17H02780
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 小林 伸彦 筑波大学, 数理物質系, 教授 (10311341)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2019年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2018年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2017年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
• キーワード: 有機半導体 / 電気伝導 / 理論 / 物性理論

研究成果の概要

第一原理電気伝導計算プログラムSAKEを開発し、有機材料の電子状態・電気伝導特性解析の方法論の整備を行い、分子内電流とその構造依存性を明らかにした。また、有機半導体の価電子帯における分子軌道混成効果を解析し、最高被占軌道と第２最高被占軌道の混成効果を解析的に表現するとともに第２最高被占軌道の効果による高移動度化の設計指針を作成した。さらに、分子の化学構造式から結晶構造予測を行い、電子状態計算、電子格子相互作用解析、時間依存波束拡散伝導法による有機半導体の移動度予測によって、分子構造式から性能予測を行い、キャリア輸送理論に基づく高移動度有機半導体設計を実証した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

有機半導体は、近年単結晶化と様々な新規分子合成による伝導機能の性能向上が著しく、塗布型プロセス製造法の発展とともに、次世代電子デバイス材料として強く期待されている。この有機半導体のさらなる伝導特性の性能向上にはキャリア輸送理論に基づく有機半導体設計のための方法論の構築が求められていた。ここで作成実証された理論は今後の有機半導体材料開発に貢献でき、学術的意義および社会的意義は大きい。

研究成果

• [雑誌論文] Sub-molecular structural relaxation at a physisorbed interface with monolayer organic single-crystal semiconductors (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamura Akifumi、Fujii Hiromasa、Ogasawara Hirohito、Nordlund Dennis、Takahashi Osamu、Kishi Yuutaro、Ishii Hiroyuki、Kobayashi Nobuhiko、Niitsu Naoyuki、Blulle Balthasar、Okamoto Toshihiro、Wakabayashi Yusuke、Watanabe Shun、Takeya Jun
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 3 号: 1 ページ: 20-20
  • DOI: 10.1038/s42005-020-0285-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Charge mobility calculation of organic semiconductors without use of experimental single-crystal data (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishii Hiroyuki、Obata Shigeaki、Niitsu Naoyuki、Watanabe Shun、Goto Hitoshi、Hirose Kenji、Kobayashi Nobuhiko、Okamoto Toshihiro、Takeya Jun
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 2524-2524
  • DOI: 10.1038/s41598-020-59238-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] SAKE: first-principles electron transport calculation code (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Takaki, N. Kobayashi, K. Hirose
  • 雑誌名: J. Phys. Condens. Matter 巻: 32 号: 32 ページ: 325901-325901
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ab8153
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Second highest occupied molecular orbital effects on the valence band structure of organic semiconductors (2019)
  • 著者名/発表者名: Kuroda Yuki、Ishii Hiroyuki、Yoshino Sayaka、Kobayashi Nobuhiko
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: SI ページ: 1-5
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab19b0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Carrier transport calculations of organic semiconductors with static and dynamic disorder (2019)
  • 著者名/発表者名: Ishii Hiroyuki、Kobayashi Nobuhiko、Hirose Kenji
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: 11 ページ: 110501-110501
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab4b61
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Seebeck coefficients in CuFeS2 thin films by first-principles calculations (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Takaki, K. Kobayashi, M. Shimono, N. Kobayashi, K. Hirose, N. Tsujii, and T. Mori
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 58 号: SI ページ: SIIB01-SIIB01
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab147c
  • NAID: 210000156366
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Theory of electron transport at the atomistic level (2018)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Nobuhiko、Ishii Hiroyuki、Hirose Kenji
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 号: 8S1 ページ: 08NA01-08NA01
  • DOI: 10.7567/jjap.57.08na01
  • NAID: 210000149434
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative mobility evaluation of organic semiconductors using quantum dynamics based on density functional theory (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishii Hiroyuki、Inoue Jun-ichi、Kobayashi Nobuhiko、Hirose Kenji
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 23 ページ: 235422-235422
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.235422
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Surface Structure of Organic Semiconductor [n]Phenacene Single Crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Wakabayashi Yusuke、Nakamura Masanari、Sasaki Kaori、Maeda Takahiro、Kishi Yuutaro、Ishii Hiroyuki、Kobayashi Nobuhiko、Yanagisawa Susumu、Shimo Yuma、Kubozono Yoshihiro
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 140 号: 43 ページ: 14046-14049
  • DOI: 10.1021/jacs.8b08811
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Computational Study on Atomic Structures, Electronic Properties, and Chemical Reactions at Surfaces and Interfaces and in Biomaterials (2018)
  • 著者名/発表者名: Takano Yu、Kobayashi Nobuhiko、Morikawa Yoshitada
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 号: 6 ページ: 061013-061013
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.061013
  • NAID: 210000134839
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Operando Direct Observation of Charge Accumulation and the Correlation with Performance Deterioration in PTB7 Polymer Solar Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Kubodera, M. Yabusaki, V. A. S. A. Rachmat, Y. Cho, T. Yamanari, Y. Yoshida, N. Kobayashi, K. Marumoto
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 10 号: 31 ページ: 26434-26434
  • DOI: 10.1021/acsami.8b06211
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhancement of Thermoelectric Properties in Surface Nanostructures (2017)
  • 著者名/発表者名: Takaki Hirokazu、Kobayashi Kazuaki、Shimono Masato、Kobayashi Nobuhiko、Hirose Kenji
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 46 号: 10 ページ: 5593-5598
  • DOI: 10.1007/s11664-017-5635-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thermoelectric properties of a magnetic semiconductor CuFeS2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Takaki Hirokazu、Kobayashi Kazuaki、Shimono Masato、Kobayashi Nobuhiko、Hirose Kenji、Tsujii Naohito、Mori Takao
  • 雑誌名: Mater. Today Phys. 巻: 3 ページ: 85-92
  • DOI: 10.1016/j.mtphys.2017.12.006
  • NAID: 130007647628
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Thermoelectric properties calculations of magnetic systems (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Kobayashi
  • 学会等名: Workshop on Advances in Solid State Chemistry and Physics & Nanoscience for Energy Harvesting Technologies
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theoretical Design of Organic Semiconductors based on First-Principles Charge Transport Calculations (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Kobayashi, H. Ishii , Y. Kuroda, and K. Hirose
  • 学会等名: IVC21
  • 国際学会
• [学会発表] Carrier Transport Calculations of Organic Semiconductors with Static and Dynamic Disorder (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Kobayashi, H. Ishii, and K. Hirose
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 波束拡散法を用いた有機半導体の熱電物性計算 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石井宏幸、小林伸彦、広瀬賢二
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] 有機半導体の価電子帯構造におけるSHOMOの効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 黒田悠暉、石井宏幸、吉野さやか、三谷真人、岡本敏宏、竹谷純一、小林伸彦
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] 機械学習による有機半導体の構造研究III (2019)
  • 著者名/発表者名: 新津直幸、沢辺千鶴、三谷真人、石井宏幸、小林伸彦、後藤仁志、広瀬賢二、小畑繁昭、中山尚史、渡邉峻一郎、岡本敏宏、竹谷純一
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] ナノ構造電子状態計算への機械学習の応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 髙木博和, 小林伸彦, 広瀬賢二
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] 機械学習支援による有機半導体結晶構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 新津直幸、沢辺千鶴、三谷真人、石井宏幸、小林伸彦、後藤仁志、広瀬賢二、小畑繁昭、中山尚史、渡邉峻一郎、岡本敏宏、竹谷純一
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 有機半導体の結晶構造とキャリア移動度の予測：結晶構造予測シミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 小畑繁昭、石井宏幸、新津直幸、渡邉峻一郎、後藤仁志、広瀬賢二、小林伸彦、岡本敏宏、竹谷純一
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 有機半導体の結晶構造とキャリア移動度の予測：移動度予測シミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 石井宏幸、小畑繁昭、新津直幸、渡邉峻一郎、後藤仁志、広瀬賢二、小林伸彦、岡本敏宏、竹谷純一
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] First-Principles Study of Charge Transport in Organic Semiconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: N.Kobayashi, H.Ishii, K.Hirose
  • 学会等名: ACSIN-14 & ICSPM26
  • 国際学会
• [学会発表] Second-Highest-Occupied-Orbital Effects on Valence Band Structure of Organic Semiconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Kuroda, H. Ishii, S. Yoshino and N. Kobayashi
  • 学会等名: ACSIN-14 & ICSPM26
  • 国際学会
• [学会発表] Optimization of the Doping Concentration in a Magnetic Semiconductor CuFeS2 by Machine Learning (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Takaki, K. Kobayashi, M. Shimono, N. Kobayashi, K. Hirose, N. Tsujii and T. Mori
  • 学会等名: ACSIN-14 & ICSPM26
  • 国際学会
• [学会発表] High-Performance Simulation for Quantum Charge Transport in Large-Scale Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Ishii and N. Kobayashi
  • 学会等名: American international Meeting on Electrochemistry and Solid state science
  • 国際学会
• [学会発表] 機械学習による有機半導体の構造研究II (2018)
  • 著者名/発表者名: 新津直幸、王晏、三谷真人、鶴見淳人、石井宏幸、小林伸彦、後藤仁志、広瀬賢二、小畑繁昭、中山尚史、渡邉峻一郎、岡本敏宏、竹谷純一
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] 塗布型有機半導体単分子層単結晶の構造変化とキャリア伝導 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山村祥史, 藤井宏昌, 小笠原寛人, Dennis Nordlund, 高橋修, 季子祐太郎, 石井宏幸, 小林伸彦, 新津直幸, Balthasar Blulle, 岡本敏宏, 若林裕助, 渡邉峻一郎, 竹谷純一
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] 非平衡グリーン関数法によるナノコンタクト系の電子輸送計算 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高木博和, 小林伸彦, 広瀬賢二
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] 磁性半導体CuFeS2の熱電性能の最適化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高木博和, 小林一昭, 下野昌人, 小林伸彦, 広瀬賢二, 辻井直人, 森孝雄
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] 大規模計算による有機半導体の熱・電荷輸送 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林伸彦
  • 学会等名: 日本物理学会, 第73回年次大会シンポジウム「柔らかな界面における熱・電荷輸送」
  • 招待講演
• [学会発表] 有機半導体の有効質量におけるNHOMOの効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒田悠暉, 石井宏幸, 小林伸彦
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] 低分子系および高分子系有機半導体におけるキャリア伝導計算 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石井宏幸, 新津直幸, 小林伸彦, 広瀬賢二, 渡邉峻一郎, 岡本敏宏, 竹谷純一
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] 熱電半導体CuFeS2の熱電特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 髙木博和, 小林一昭, 下野昌人, 小林伸彦, 広瀬賢二, 辻井直人, 森孝雄
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] Theory of charge and heat transport at the atomistic level (2017)
  • 著者名/発表者名: N.Kobayashi
  • 学会等名: 25th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electrical and thermal transport calculations at the atomistic level (2017)
  • 著者名/発表者名: N.Kobayashi
  • 学会等名: Energy Materials Nanotechnology 2D Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] First-principles calculations of thermoelectric properties in a magnetic semiconductor CuFeS2 (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Takaki, K. Kobayashi, M. Shimono, N. Kobayashi, K. Hirose, N. Tsujii, and T. Mori
  • 学会等名: IUMRS-ICAM 2017
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles calculations of phonon and magnon coupling effects for thermoelectric properties of a magnetic semiconductor CuFeS2 (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Takaki, K. Kobayashi, M. Shimono, N. Kobayashi, K. Hirose, N. Tsujii, and T. Mori
  • 学会等名: IUMRS-ICAM 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic states and intermolecular interactions of phenacene crystals (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Sato, Y. Kishi, H. Ishii and N. Kobayashi
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8),
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of SAMO orbitals of C60 using density functional theory (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Oka, H. Ishii and N. Kobayashi
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles calculations of phonon and magnon coupling effects for thermoelectric properties of magnetic semiconductor CuFeS2 thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: H.Takaki, K. Kobayashi, M. Shimono, N. Kobayashi, K., N. Tsujii, and T. Mori
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of Crystal Structures of [n]phenacenes by First-Principles Calculations (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kishi, T. Maeda, H. Ishii, S. Yanagisawa, Y. Wakabayashi, R. Eguchi, Y. Kubozono and N. Kobayashi
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic State Calculations of 5,15-bis(triisopropylsilyl)ethynyltetrabenzoporphyrin (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kuroda, H. Ishii and N. Kobayashi
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
  • 国際学会
• [学会発表] 第一原理計算による磁性半導体の熱電物性におけるフォノン、マグノン相互作用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 髙木博和, 小林一昭, 下野昌人, 小林伸彦, 広瀬賢二, 辻井直人, 森孝雄
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] 波束拡散法によるカーボンナノチューブと有機半導体の電子伝導計算 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石井宏幸, 小林伸彦, 広瀬賢二
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [図書] Theory of Electrical Conduction in 3D Local Structure and Functionality Design of Materials, Eds. H. Daimon and Y. C. Sasaki (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Kobayashi, H. Ishii, K. Hirose
  • 総ページ数: 13
  • 出版者: World Scientific
  • ISBN: 9789813273665
• [備考] 筑波大学小林研
  • URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~cmslab/
• [備考] 筑波大学小林研
• [備考] 筑波大学小林研