放射光X線回折による有機薄膜成長過程のin situ構造解析

• 研究課題/領域番号: 19K05289
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分30010:結晶工学関連
• 研究機関: 岩手大学
• 研究代表者: 吉本 則之 岩手大学, 理工学部, 教授 (80250637)
• 研究分担者: 葛原 大軌 岩手大学, 理工学部, 准教授 (00583717)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 有機薄膜 / X線回折 / 電子線ホログラフィー / 放射光 / 電位分布 / 結晶成長 / 2D-GIXD / その場観察 / 有機半導体 / 2次元X線回折 / ２次元X線回折 / 放射光x線回折

研究開始時の研究の概要

有機薄膜形成過程の結晶成長機構を解明するため、放射光施設(SPring-8)に自作の真空蒸着装置を持ち込み、成膜中のin situ２次元X線回折実験を行う。この方法により有機薄膜の初期層および膜の形成過程の結晶構造を解明することが可能となり、有機デバイスの特性を決定づける基板上の第１層目の構造や金属電極上の構造、さらにpn接合形成の過程の詳細を究明することができる。また、有機半導体の分子構造と成長機構の解明や結晶構造の膜厚依存性を明らかにするため独自に分子の合成を行う。また、並行して電子線ホログラフィーによって有機半導体薄膜内の電位分布の観測を行い、有機半導体薄膜の構造を総合的に明らかにする。

研究成果の概要

有機薄膜形成過程の結晶成長機構を解明するため、成膜中のin situ2次元X線回折実験を行った。この方法により有機薄膜の初期層および膜の形成過程の結晶構造を解明することが可能となり、有機半導体の分子構造と成長機構の解明や結晶構造の膜厚依存性を明らかにした。 また、電子線ホログラフィーによって有機半導体薄膜内の電位分布の観測を行うことにより、有機半導体薄膜の構造と物性を総合的に明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

有機薄膜形成過程のin-situ2次元X線回折実験用の成膜・観察装置および実験方法を開発した。この方法により有機半導体薄膜の成長機構の解明や結晶構造を明らかすることが可能となった。特に2D-GIXDによる薄膜の評価は現在多くの研究者に利用されておりこの分野における標準的な評価方法として普及・定着している。また、電子線ホログラフィーによって有機半導体デバイス内部の電位分布を定量的に計測できること実証した。これらのことは、学術的意味のみならず、有機半導体を用いた電子デバイスの実用化にあたって直面するさまざまな困難を解決する基礎的な知見として社会の発展に貢献するものである。

研究成果

• [国際共同研究] UMR CNRS 7334(フランス)
• [国際共同研究] CINaM CNRS UMR 7325(フランス)
• [国際共同研究] CINaM CNRS UMR 7325(フランス)
• [国際共同研究] University of Washington(米国)
• [雑誌論文] Single-crystal growth of triphenylphosphine using the Czochralski method (2022)
  • 著者名/発表者名: Saitoh Keiki、Kikuchi Mamoru、Yoshimoto Noriyuki
  • 雑誌名: Molecular Crystals and Liquid Crystals 巻: X 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1080/15421406.2022.2047500
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exploring Charge Transport in High‐Temperature Polymorphism of ITIC Derivatives in Simple Processed Unipolar Bottom Contact Organic Field‐Effect Transistor (2021)
  • 著者名/発表者名: Avalos Quiroz Yatzil Alejandra、Koganezawa Tomoyuki、Perkhun Pavlo、Barulina Elena、Ruiz Carmen M.、Ackermann J?rg、Yoshimoto Noriyuki、Videlot‐Ackermann Christine
  • 雑誌名: Advanced Electronic Materials 巻: 8 号: 3 ページ: 2100743-2100743
  • DOI: 10.1002/aelm.202100743
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct visualization of electric potential distribution in organic light emitting diode by phase-shifting electron holography (2021)
  • 著者名/発表者名: Sasaki Yusei、Yamamoto Kazuo、Anada Satoshi、Hirayama Tsukasa、Yoshimoto Noriyuki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 号: 7 ページ: 075007-075007
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac07f1
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Efficiency Digital Inkjet-Printed Non-Fullerene Polymer Blends Using Non-Halogenated Solvents (2021)
  • 著者名/発表者名: P. Perkhun, W. Kintges, F. Pourcin, D.l Esteoulle, E. Barulina, N.Yoshimoto, P. Pierron, O. Margeat, C. Videlot-Ackermann, A.K. Bharwal, D.Duch, C. R. Herrero, C. Gonzales, A. Guerrero, J. Bisquert, R. Schrider, M. Pfannmoller, S. B. Dkhil, J.-J. Simon, and J. Ackermann
  • 雑誌名: Adv. Energy Sustainability Res. 巻: 2 号: 4 ページ: 2000086-2000086
  • DOI: 10.1002/aesr.202000086
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Phase-Shifting Electron Holography for Accurate Measurement of Potential Distributions in Organic and Inorganic Semiconductors (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuo Yamamoto, Satoshi Anada, Takeshi Sato, Noriyuki Yoshimoto, Tsukasa Hirayama
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 70 号: 1 ページ: 24-38
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfaa061
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Direct Correlation of Nanoscale Morphology and Device Performance to Study Photocurrent Generation in Donor-Enriched Phases of Polymer Solar Cells (2020)
  • 著者名/発表者名: S. B. Dkhil, P. Perkhun, C. Luo, D. Moller, R. Alkarsifi, E. Barulina, Y.Alejandra A. Quiroz, O. Margeat, S. T. Dubas, T. Koganezawa, D.Kuzuhara, N. Yoshimoto, C. Caddeo, A. Mattoni, B. Zimmermann, U. Wurfel, M. Pfannmoller, S. Bals, J.Ackermann, and C. Videlot-Ackermann
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 12 号: 25 ページ: 28404-28415
  • DOI: 10.1021/acsami.0c05884
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Designing High Performance Nonfullerene Electron Acceptors with Rylene Imides for Efficient Organic Photovoltaics (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagesh B. Kolhe, Sarah M. West, Duyen K. Tran, Xiaomei Ding, Daiki Kuzuhara, Noriyuki Yoshimoto, Tomoyuki Koganezawa, and Samson A. Jenekh
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: 32 号: 1 ページ: 195-204
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b03329
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] New Random Copolymer Acceptors Enable Additive-Free Processing of 10.1% Efficient All-Polymer Solar Cells with Near Unity Internal Quantum Efficiency (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagesh B. Kolhe, Duyen Ky Tran, Hyunjong Lee, Daiki Kuzuhara, Noriyuki Yoshimoto, Tomoyuki Koganezawa, Samson A. Jenekhe
  • 雑誌名: ACS Energy Lett. 巻: 4 号: 5 ページ: 162-1170
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.9b00460
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 機械学習による有機材料の結晶構造予測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高橋 昌也、吉本 則之
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会、オンライン開催、2021年9月10-23日
• [学会発表] チョクラルスキー法によるトリフェニルホスフィンの単結晶育成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 齊藤 圭紀、菊池 護、吉本 則之
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会、オンライン開催、2021年9月10-23日
• [学会発表] 電子線ホログラフィーによる2層型有機EL素子内部の電位分布計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐々木 祐聖、山本 和生、穴田 智史、平山 司、吉本 則之
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会、オンライン開催、2021年9月10-23日
• [学会発表] Cz法によるトリフェニルホスフィンの単結晶の融液育成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 齊藤 圭紀、菊池 護、吉本 則之
  • 学会等名: 第50回結晶成長国内会議、オンライン開催、2021年10月27-29日
• [学会発表] Single crystal Growth of triphenylphosphine by the Czochralski method (2021)
  • 著者名/発表者名: Keiki Saitoh, Mamoru Kikuchi, Noriyuki Yoshimoto
  • 学会等名: KJF International Conference of Organic Materials for Electronics and Photonics 2021, online, Aug.39-31st 2021.
  • 国際学会
• [学会発表] 電子線ホログラフィーによる有機EL素子内部の電位分布の可視化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐々木 祐聖;佐藤 岳志;山本 和生,葛原 大軌, 吉本 則之
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第76回学術講演会
• [学会発表] QCM/2D-GIXD同時測定によるペンタセン薄膜成長における核形成過程の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 松原 亮介, 尾崎 幸潤, 阿部 優輝, 菊池 護 ,葛原 大軌, 吉本 則之, 小金澤 智之, 久保野 敦史
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 電子線ホログラフィーによる有機EL素子内部の電位分布計測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐々木祐聖, 山本和生, 吉本則之
  • 学会等名: 第63回日本顕微鏡学会シンポジウム
• [学会発表] Cz法によるベンゾフェノン単結晶育成と結晶性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 大生;菊池 護;葛原 大軌;吉本則之
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 光縮環反応を用いた不溶性薄膜の作製と評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小川 倫弥,葛原 大軌,吉本 則之
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 2次元X線回折/水晶振動子マイクロバランス同時測定によるペンタセン薄膜形成初期過程のin-situ 観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 尾﨑 幸潤,松原 亮介,阿部 優輝,菊池 護,葛原 大軌,吉本 則之,小金澤 智之,久保野 敦史
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 有機半導体の薄膜形成素過程に対するアルキル側鎖の影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石川 渉太,羽生大亮,松原 亮介,佐藤 慧,葛原大軌,吉本則之,久保野 敦史
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] ジチエノピラシレンの合成と性質 (2020)
  • 著者名/発表者名: 谷山 功起,佐藤 慧,葛原 大軌,吉本 則之
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] 1,7位ハロゲン置換ペリレンジイミドの合成と物性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 村田 哲平,千田 一聖,葛原 大軌,吉本 則之
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] Thin-Film Structure Analysis and Organic Field-Effect Transistor Performance of a Liquid Crystalline Material Ph-BTBT-10 (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuji Yamaguchi, Tomoyuki Koganezawa, Daiki Kuzuhara, Noriyuki Yoshimoto
  • 学会等名: MRS Spring Meeting,
  • 国際学会
• [学会発表] Crystal Structure Analysis of α,ω-Di-decyl-quaterthiophene by Two-Dimensional Grazing Incidence X-ray Diffractometry (2019)
  • 著者名/発表者名: Daiki Terui, Daiki Kuzuhara, Takeshi Watanabe, Tomoyuki Koganezawa, Ichiro Hirosawa, Noriyuki Yoshimoto
  • 学会等名: The International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics
  • 国際学会
• [学会発表] ynthesis and Semiconducting Property of Pentaphene Derivatives (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuya Chiba, Daiki Kuzuhara, Noriyuki Yoshimoto
  • 学会等名: The International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics
  • 国際学会
• [学会発表] n-Situ Observation of Thin Film Growth of Organic Semiconductors by 2D-X-ray Diffraction (2019)
  • 著者名/発表者名: Noriyuki Yoshimoto, Daiki Kuzuhara, Mamoru Kikuchi, Tomoyuki Koganezawa, Ichiro Hirosawa
  • 学会等名: Materials Reseach Meeting 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 電子線ホログラフィーによる有機積層膜の評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐々木 祐聖;佐藤 岳志;山本 和生;葛原 大軌;吉本 則之
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 照井 大貴,菊池 護,葛原 大軌,渡辺 剛,小金澤 智之,廣沢 一郎,吉本 則之 (2019)
  • 著者名/発表者名: 二次元斜入射X線回折法によるC10-4T薄膜の構造解析
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 2D-GIXDによるC10-4T薄膜の配向変化のその場観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 阿部 優輝,葛原 大軌,小金澤 智之,吉本 則之
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Fabrication of Insoluble Thin Films by Sholl Reaction (2019)
  • 著者名/発表者名: 小川 倫弥,葛原 大軌,吉本 則之
  • 学会等名: 化学系学協会東北大会
• [学会発表] Molecular Orientations of Quarterthiophenes with Symmetric and Asymmetric Alkyl chains (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 慧,大場 涼矢,葛原 大軌,吉本 則之
  • 学会等名: 化学系学協会東北大会
• [学会発表] 分子内環化反応によるペンタフェン誘導体の合成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 千葉 裕矢,葛原 大軌,吉本則之
  • 学会等名: 第30回基礎有機化学討論会
• [学会発表] 電子線ホログラフィーによる有機EL素子内部の電位分布の可視化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐々木 祐聖,佐藤 岳志,山本 和生,葛原 大軌,吉本 則之
  • 学会等名: 第48回結晶成長国内会議
• [学会発表] 二次元斜入射X線回折法によるC10-4T薄膜の構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 照井 大貴;菊池 護;葛原 大軌;渡辺 剛;小金澤 智之;廣沢 一郎;吉本 則之
  • 学会等名: 第48回結晶成長国内会議
• [学会発表] チョクラルスキー法によるベンゾフェノン単結晶育成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 大生,菊池 護,葛原 大軌,吉本則之
  • 学会等名: 第48回結晶成長国内会議
• [図書] 分子の薄膜化技術 -有機EL，有機トランジスタ，有機太陽電池などの有機薄膜デバイス作製技術に向けて- (2020)
  • 著者名/発表者名: 八瀬 清志, 石田 謙司, 石田 敬雄, 久保野 敦史, 島田 敏宏, 谷垣 宣孝, 中村 雅一, 星野 聡孝, 山本 雅人, 吉田 郵司, 吉本 則之
  • 総ページ数: 276
  • 出版者: コロナ社
  • ISBN: 9784339009385
• [図書] 2020版 薄膜作製応用ハンドブック (2020)
  • 著者名/発表者名: 權田 俊一監修吉本則之他多数
  • 総ページ数: 1570
  • 出版者: (株)エヌ・ティー・エス