２次元Ｘ線回折法による有機半導体薄膜生成過程のIn-situ構造解析

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K04647
• 研究機関: 岩手大学
• 研究代表者: 吉本 則之 岩手大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80250637)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 有機半導体 / 薄膜成長 / Ｘ線回折 / 構造解析 / 放射光 / 2D-GIXD

研究実績の概要

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設置し、成膜中のリアルタイム２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接合構造形成の過程の詳細を究明することができる。さらに、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X線回折より明らかにする。また、有機薄膜太陽電池形成過程のその場観察により、２成分系の有機半導体の結晶成長機構を明らかにし、有機電子デバイスの特性と構造の相関を解明ことを目的として以下の研究を行った。
有機半導体薄膜の成長過程を解明するために、放射光X線を使ったリアルタイム斜入射２次元Ｘ線回折実験を行なった。具体的な研究として、以下の３項目を重点的に研究した。（１）絶縁膜上および金属電極上の有機半導体分子の結晶成長初期過程の解明（２）分子構造及び成膜条件が薄膜の構造に及ぼす効果の解明（３）有機（ｐ型）／有機（ｎ型）２元蒸着膜形成過程における構造評価。
（１）と（２）は、有機デバイスにおいて電荷の授受や輸送が行われる重要な場所の分子の配向や構造を明らかにするものであり、（３）は有機薄膜太陽電池への応用を念頭にｐｎ接合形成過程の解明を目指すものである。2D-GIXD法によって得られる実験結果より、有機半導体の成長機構や結晶構造形成に及ぼす分子構造（特にアルキル基）の効果が明らかとなった。今後さらに研究を進め、構造形成と物性の発現メカニズムの解明を目指している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

27年度は装置の改良を行い、試料位置を熱膨張により変化させることなく、温度を-100℃から200℃まで変えることが出来る機能を開発した。これにより、有機薄膜作製中の放射光Ｘ線を用いた２次元X線回折実験を行うことが可能となった。

今後の研究の推進方策

２８年度は、成膜装置の改良と計測技術の高度化を行い、有機分子薄膜形成機構の詳細な解明を目指す。また、前年度の課題を引き続き発展させ、有機半導体薄膜の結晶成長に及ぼす温度の効果の詳細をリアルタイム観測によって解明する。また、２元蒸着や有機p/n多層膜の形成実験や、電圧印可時の有機半導体薄膜の構造解明にも取り組み、有機デバイスの劣化のメカニズムの解明に挑む。並行して、第一原理計算による電子着構造の計算機実験を行い、理論的解明を目指す。

研究成果

• [国際共同研究] CINaM CNRS UMR 7325(France)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CINaM CNRS UMR 7325
• [雑誌論文] ontrolled donor-accepter ratio for application of organic photovoltaic cells by alternative intermitternt electrospray co-deposition (2016)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Fukuda, Katsumi Suzuki, Noriyuki Yoshimoto, Yingjie Liao
  • 雑誌名: Organic Electronics 巻: 33 ページ: 32-39
  • DOI: 10.1016/j.orgel.2016.03.011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of electric potential in organic thin-film transistor by bias applied hard X-ray photoemission spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Watanabe, Keisuke Tada, Satoshi Yasuno, Hiroshi Oji, Noriyuki Yoshimoto and Ichiro Hirosawa
  • 雑誌名: Jpn J. Appl. Phys. 巻: 55 ページ: 03DD12
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.03DD12
  • 査読あり
• [雑誌論文] Depth profile of electric potential of metal-coated pentacene films on SiO2 studied by Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy under applied bias voltage (2016)
  • 著者名/発表者名: Ichiro Hirosawa, Takeshi Watanabe, Hiroshi Oji, Satoshi Yasuno, Keisuke Tada, and Noriyuki Yoshimoto
  • 雑誌名: Jpn J. Appl. Phys. 巻: 55 ページ: 03DD09
  • DOI: DOI:10.7567/JJAP.5503DD09
  • 査読あり
• [雑誌論文] P-type semiconductor surfactant modified zinc oxide nanorods for hybrid bulk heterojunction solar cells (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Ben Dkhil, M. Gaceur, W. Dachraoui, D. Hannani, S. Fall, F. Brunel, M. Wang, G. Poize, J. Mawyin, I. Shupyk, C. Martini, E. Shilova, F. Fages, T. Ishwara, J. Nelson, T.Watanabe, N. Yoshimoto, O. Margeat, C. Videlot-Ackermann, and J. Ackermann
  • 雑誌名: Solar Energy Materials and Solar Cells 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
• [雑誌論文] ollapsed armchair single-walled carbon nanotubes as an analog of closed-edged bilayer graphene nanoribbons (2015)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Hasegawa, Kazume Nishidate, and Noriyuki Yoshimoto
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 92 ページ: 245429
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.245429
  • 査読あり
• [学会発表] 奇数鎖アルキル基をもつクォーターチオフェン薄膜の構造評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 廣内 大地、小鹿 曹汰、小金澤 智之、廣沢 一郎、鈴木 充朗、山田 容子、吉本 則之
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] Effects of alkyl-chain lengths on crystal structure and transport properties in thin films of α,ω-quaterthiophene derivatives, (2015)
  • 著者名/発表者名: (68)Noriyuki Yoshimoto, Sota Koshika, Takeshi Watanabe, Tomoyuki Koganezawa, Mitsuharu Suzuki, Hiroko Yamada, Ichiro Hirosawa, Masayuki Hasegawa
  • 学会等名: 15th International Conference on the Formation of Semiconductor Interfaces
  • 発表場所: Hiroshima
  • 年月日: 2015-11-15 – 2015-11-20
  • 国際学会
• [学会発表] Band Gap of Epitaxial Graphene on the Ru(0001) Surface (2015)
  • 著者名/発表者名: (69)K. Nishidate, N. Yoshimoto and Masayuki Hasegawa
  • 学会等名: 15th International Conference on the Formation of Semiconductor Interfaces
  • 発表場所: Hiroshima
  • 年月日: 2015-11-15 – 2015-11-20
  • 国際学会
• [学会発表] α,ω-クオターチオフェン誘導体薄膜の結晶成長に及ぼす末端アルキル基の効果Ⅱ (2015)
  • 著者名/発表者名: 小鹿 曹汰、小金澤 智之、鈴木 充朗、山田 容子、吉本 則之
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋期学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [学会発表] バイアス印加HAXPES測定による有機トランジスタ動作中の有機半導体層内部の電位分布観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 剛、多田 圭佑、安野 聡、吉本 則之、広沢 一郎
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋期学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16