分子双極子の強制配向を利用した有機半導体デバイスの内部電界エンジニアリング

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K14102
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 中山 泰生 東京理科大学, 理工学部工業化学科, 講師 (30451751)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 半導体デバイス / 巨大表面電位 / 配向分極 / ヘテロエピタキシー / 有機半導体

研究実績の概要

本研究課題は，永久双極子をもつ有機半導体分子の薄膜内における平均配向度を強制的に制御できる斬新な成膜技術を確立し，分子膜の表裏間に内蔵される電位差を数ボルトのオーダーで増減させることによって，電荷の流れを最適化した高度な有機デバイス設計の実現に挑戦するものである。この目的の達成のため，平成28年度には，真空中を飛行する有機半導体分子を強い電界のかかった領域を通過させることで分子双極子の向きを揃えることを狙った新しい真空蒸着装置を開発した。一方で，有機半導体分子の固体膜が形成される際の材料分子の振舞いを分子レベルで明らかにすることを目的に，有機半導体単結晶基板上における有機分子ヘテロエピタキシャル接合の形成メカニズムの精密分析を行った。具体的には，代表的な有機半導体であるペンタセン単結晶の電子構造分析［原著論文１件，プレスリリース１件など］およびその表面清浄化［原著論文１件（印刷中）など］に成功したほか，その上にC60フラーレン分子を積層したヘテロエピタキシャル界面において極めて結晶性が良好な分子接合が形成されることを明らかにした［原著論文２件など］。さらに，「基板」となる単結晶材料および積層する分子材料それぞれを他の分子材料に換えた場合のエピタキシャル関係・結晶性の変化を調査する研究にも着手しており［原著論文１件投稿中など］，材料分子の形態・結晶系といった構造要因が分子同士の接合構造に及ぼす要因が明らかになりつつある。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初，平成28年度には「極性分子の電界配向真空蒸着源の開発および動作特性評価」を計画していた。具体的には，蒸着分子の飛行中に強電界を印加することで分子双極子の平均配向度を変化させられる真空蒸着源の開発，および真空ケルビンプローブを用いた動作特性評価である。この内，蒸着分子への電界印加可能な真空蒸着装置の開発は完了し，水晶振動子膜厚計を用いることで目的材料の真空蒸着が可能であることを確認した。また，紫外光電子分光法を用いた表面電位評価により，電界印加の試行も行った。現状では，分子配向電場の印加のための高電圧により，蒸着材料の加熱に用いるフィラメントの絶縁破壊が生じる結果となっており，装置設計の再検討が必要であることが判明している。また，分子膜の表面電位計測のために，米国McAllister社製の超高真空ケルビンプローブシステムを導入する計画であったが，サプライヤーからの製品供給が一時的に停止されており，代替装置の入手が困難である事情もあって，機器の導入が先送りになっている。
一方で，固体薄膜形成過程における材料分子の振舞いの理解については，前述のように，実証的な研究を大きく進展させた。具体的には，分子間のヘテロ接合構築において，分子の拡散過程が形成される薄膜構造を決定する主要なファクターであることが明らかになりつつある。このことを利用することで，外部電場による分子双極子配向だけではなく，成膜温度や蒸着速度といったパラメータの最適化によって，分子膜の電子機能性を強化できる可能性があり，この方向性での研究の推進をはかりたい。
以上を総合し，現状における本研究課題の進捗状況は「やや遅れている」と区分される。

今後の研究の推進方策

平成29年度は，現状において遅れている電界配向真空蒸着源の動作特性評価を進める。まず，昨年度開発した真空蒸着装置について，判明している問題点を踏まえて電気的な絶縁を強化した設計変更を行い，改良した装置を製作する。併せて，超高真空ケルビンプローブシステムの供給が再開され次第これを導入する。供給再開の見込みが立たない場合は，自前での製作も視野に入れている。これにより，電場による分子双極子配向の実現を期す。
同時に，有機半導体薄膜形成過程の分子レベルでの理解に向けた界面構造研究についても継続的に推進していく。これまでに研究対象としてきた分子種は，比較的対称性のよい単純な形態を有する分子であった。こうした分子は無極性であるため，固体を形成する分子間相互作用はほぼファンデルワールス力のみと考えてよい。これに対し，今後はより複雑な形態をもつ極性分子へ研究対象を拡張する。この場合，双極子間の静電相互作用も分子間相互作用に寄与してくるため，分子間接合の形成メカニズムが大きく変化する可能性がある。本研究では，有機分子単結晶を活用した構造研究を進めることで，材料分子の構造が分子間相互作用の変化を通して固体形成過程に及ぼす影響の解明を目指す。今年度から，有機分子薄膜の結晶構造解析について高度な専門知識と研究実績を有する細貝拓也博士を研究分担者として加えたことにより，研究進捗をより加速できることが見込まれる。

次年度使用額が生じた理由

平成28年度に導入する計画であった米国McAllister社製の超高真空ケルビンプローブ装置について，サプライヤーからの製品供給が一時的に停止されており，代替装置の入手が困難である事情もあり，平成29年度以降に先送りとなっている。

次年度使用額の使用計画

上記装置について，サプライヤーからの製品供給が再開され次第，導入のため使用する計画である。

研究成果

• [雑誌論文] Single crystal pentacene valence band dispersion and its temperature dependence (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasuo Nakayama, Yuta Mizuno, Masataka Hikasa, Masayuki Yamamoto, Masaharu Matsunami, Shinichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Hisao Ishii, Nobuo Ueno
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 8 ページ: 1256-1264
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b00082
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of the Ambient Exposure on the Electronic States of the Clean Surface of the Pentacene Single Crystal (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuta Mizuno, Masayuki Yamamoto, Hiroumi Kinjo, Kazuhiko Mase, Hisao Ishii, Koji K. Okudaira, Hiroyuki Yoshida, Yasuo Nakayama
  • 雑誌名: Molecular Crystals and Liquid Crystals 巻: - ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1080/15421406.2017.1302001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Crystallinity of the epitaxial heterojunction of C60 on single crystal pentacene (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Tsuruta, Yuta Mizuno, Takuya Hosokai, Tomoyuki Koganezawa, Hisao Ishii, Yasuo Nakayama
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: - ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.10.031
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 微小角入射X線回折によるペンタセン単結晶上C60エピタキシャル被覆層の構造決定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鶴田諒平，水野裕太，細貝拓也，小金澤智之，石井久夫，中山泰生
  • 雑誌名: 表面科学 巻: 37 ページ: 429-434
  • DOI: 10.1380/jsssj.37.429
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] CH3NH3PbI3薄膜の深さ方向の元素組成分布および電子構造評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山中宗一郎，早川慧，佐藤友哉，鶴田諒平，石井久夫，間瀬一彦，Ludmila Cojocaru，内田聡，中山泰生
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] ペンタセン単結晶の電子状態に対する大気曝露の効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 日笠正隆，村田美美，鶴田諒平，間瀬一彦，中山泰生
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] ルブレン単結晶上におけるC60ヘテロエピタキシャル成長の温度依存性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鶴田諒平，水野裕太，戸上雄太，松山槙吾，山中宗一郎，森敏彰，細貝拓也，小金澤智之，中山泰生
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] ナノセルロース薄膜およびその上に成膜したペンタセンの結晶構造 (2017)
  • 著者名/発表者名: 森敏彰，鶴田諒平，山中宗一郎，小金澤智之，細貝拓也，中山泰生
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] ルブレン単結晶上におけるC60ヘテロエピタキシャル成長の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鶴田諒平，水野裕太，戸上雄太，松山槙吾，山中宗一郎，森敏彰，細貝拓也，小金澤智之，中山泰生
  • 学会等名: SPRUC顕微ナノ材料研究会・表面科学放射光研究部会合同シンポジウム
  • 発表場所: 京理科大学葛飾キャンパス（東京都）
  • 年月日: 2017-03-02
• [学会発表] ペンタセン単結晶上でのパーフルオロペンタセンのヘテロエピタキシャル成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中山泰生，水野裕太，鶴田諒平，松山槙吾，小金澤智之，細貝拓也
  • 学会等名: 2016年真空・表面科学合同講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（名古屋市）
  • 年月日: 2016-12-01
• [学会発表] ルブレン単結晶上におけるC60被覆層エピタキシャル成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鶴田諒平，水野裕太，松山槙吾，小金澤智之，細貝拓也，中山泰生
  • 学会等名: 2016年真空・表面科学合同講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（名古屋市）
  • 年月日: 2016-11-30
• [学会発表] Functional Organic and Organic-Inorganic-Hybrid Materials Studied by Excitation Energy Dependence of the X-ray Photoelectron Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasuo Nakayama, Yuta Mizuno, Soichiro Yamanaka, Tomoya Sato, Ryohei Tsuruta, Yuki Uragami, Masayuki Yamamoto, Keiichirou Yonezawa, Kei Hayakawa, Ludmila Cojocaru, Satoshi Kera, Nobuo Ueno, Satoshi Uchida, Hisao Ishii, Kazuhiko Mase
  • 学会等名: The 8th Workshop on Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications (ASOMEA8)
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター（岡崎市）
  • 年月日: 2016-11-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Valence Band Structures of the Pentacene Single Crystal (2016)
  • 著者名/発表者名: Masataka Hikasa, Yuta Mizuno, Shinichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Hisao Ishii, Yasuo Nakayama
  • 学会等名: The 8th Workshop on Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications (ASOMEA8)
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター（岡崎市）
  • 年月日: 2016-11-23
  • 国際学会
• [学会発表] Improved Crystallinity of Epitaxial C60 on Pentacene Single Crystal (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Tsuruta, Yuta Mizuno, Takuya Hosokai, Tomoyuki Koganezawa, Hisao Ishii, Yasuo Nakayama
  • 学会等名: The 8th Workshop on Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications (ASOMEA8)
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター（岡崎市）
  • 年月日: 2016-11-23
  • 国際学会
• [学会発表] Depth distribution of the chemical states and electronic structures of CH3NH3PbI3 thin films studied by the excitation energy dependent XPS (2016)
  • 著者名/発表者名: Soichiro Yamanaka, Kei Hayakawa, Tomoya Sato, Ryohei Tsuruta, Kazuhiko Mase, Ludmila Cojocaru, Satoshi Uchida, Yasuo Nakayama
  • 学会等名: The 8th Workshop on Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications (ASOMEA8)
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター（岡崎市）
  • 年月日: 2016-11-23
  • 国際学会
• [学会発表] C60被覆層のルブレン単結晶上におけるヘテロエピタキシャル成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鶴田諒平，水野裕太，松山槙吾，小金澤智之，細貝拓也，中山泰生
  • 学会等名: 第6回CSJ化学フェスタ2016
  • 発表場所: タワーホール船堀（東京都）
  • 年月日: 2016-11-16
• [学会発表] ペンタセン単結晶の価電子バンド構造に関する研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 日笠正隆，水野裕太，出田真一郎，田中清尚，石井久夫，中山泰生
  • 学会等名: 第6回CSJ化学フェスタ2016
  • 発表場所: タワーホール船堀（東京都）
  • 年月日: 2016-11-16
• [学会発表] 三ヨウ化メチルアンモニウム鉛(Ⅱ)薄膜の深さ方向の元素組成分布および電子構造評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山中宗一郎，早川慧，佐藤友哉，鶴田諒平，石井久夫，間瀬一彦，Cojocaru Ludmila，内田聡，中山泰生
  • 学会等名: 第6回CSJ化学フェスタ2016
  • 発表場所: タワーホール船堀（東京都）
  • 年月日: 2016-11-16
• [学会発表] ペンタセン単結晶の価電子バンド分散構造の精密分析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 日笠正隆，水野裕太，出田真一郎，田中清尚，中山泰生
  • 学会等名: ＵＶＳＯＲシンポジウム2016
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター（岡崎市）
  • 年月日: 2016-10-29
• [学会発表] フッ化ペンタセンのペンタセン単結晶上でのヘテロエピタキシャル成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中山泰生，水野裕太，鶴田諒平，松山槙吾，小金澤智之，細貝拓也
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] ルブレン単結晶上におけるC60被覆層ヘテロエピタキシャル成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鶴田諒平，水野裕太，松山槙吾，細貝拓也，小金澤智之，中山泰生
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] ペンタセン単結晶上に積層したC60の成長温度による結晶性制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 水野裕太，鶴田諒平，細貝拓也，小金澤智之，Alexander Hinderhofer, Frank Schreiber, 石井久夫，奥平幸司，吉田弘幸，中山泰生
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Heteroepitaxial Organic pn-junction: C60 on the pentacene single crystal (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasuo Nakayama, Yuta Mizuno, Takuya Hosokai, Tomoyuki Koganezawa, Ryohei Tsuruta, Alexander Hinderhofer, Alexander Gerlach, Katharina Broch, Valentina Belova, Heiko Frank, Masayuki Yamamoto, Jens Niederhausen, Hendrik Glowatzki, Jurgen P. Rabe, Norbert Koch, Hisao Ishii, Frank Schreiber, Nobuo Ueno
  • 学会等名: EMN (Energy Materials Nanotechnology) Organic Electronics and Photonics Meeting
  • 発表場所: San Sebastian (Spain)
  • 年月日: 2016-09-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Heteroepitaxy of C60 on the Pentacene Single Crystal Surface (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuta Mizuno, Takuya Hosokai, Tomoyuki Koganezawa, Ryohei Tsuruta, Alexander Hinderhofer, Alexander Gerlach, Katharina Broch, Valentina Belova, Heiko Frank, Masayuki Yamamoto, Hisao Ishii, Frank Schreiber, Nobuo Ueno, Yasuo Nakayama
  • 学会等名: The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-18)
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（名古屋市）
  • 年月日: 2016-08-11
  • 国際学会
• [学会発表] Improved Crystallinity of Epitaxial C60 on Pentacene Single Crystal by Preparation Temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryohei Tsuruta, Yuta Mizuno, Takuya Hosokai, Tomoyuki Koganezawa, Hisao Ishii, Yasuo Nakayama
  • 学会等名: The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-18)
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（名古屋市）
  • 年月日: 2016-08-11
  • 国際学会
• [備考] 研究代表者が主宰する研究室のwebページ
  • URL: http://www.rs.tus.ac.jp/oml/index.html