キャリア輸送理論に基づく高移動度有機半導体設計

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H02780
• 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
• キーワード: 有機半導体 / 電気伝導 / 理論

研究実績の概要

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る。
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(HOMO)と第２最高被占軌道(SHOMO)の混成効果を解析的に表現するとともに、典型的な有機半導体材料のSHOMOの効果を明らかにした。BTBT 系材料ではHOMOとSHOMOのエネルギー準位差が400meVより大きいにもかかわらず、SHOMOが顕著に価電子帯構造に影響する事がわかった。これはヘリングボーン面を構成する分子のHOMO-SHOMO 間飛び移り積分の符号と大きさによるものであることを明らかにし、SHOMOを用いた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。これにより、有機半導体の材料開発を効率化することができ、新規材料開発の加速化が期待される。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

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: A. Yamamura, H.Fujii, H. Ogasawara, D. Nordlund, O. Takahashi, Y. Kishi, H. Ishii, N. Kobayashi, N. Niitsu, B. Blulle, T. Okamoto, Y. Wakabayashi, S. Watanabe, and J. Takeya
  • 雑誌名: Commun. Phys. 巻: 3 ページ: 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: H. Ishii, S. Obata, N. Niitsu, S. Watanabe, H. Goto, K. Hirose, N. Kobayashi, T. Okamoto, and J. Takeya
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 10 ページ: 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 ページ: 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: Y. Kuroda, H. Ishii, S. Yoshino, N. Kobayashi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 58 ページ: SIIB27
  • 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: H. Ishii , N. Kobayashi, and K. Hirose
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 58 ページ: 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 ページ: SIIB01
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab147c
  • 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
• [備考] 筑波大学小林研
  • URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~cmslab/