| 研究課題/領域番号 |
17H03440
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
内田 博久 金沢大学, フロンティア工学系, 教授 (70313294)
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| 研究分担者 |
田村 和弘 金沢大学, 機械工学系, 教授 (20143878)
春木 将司 金沢大学, 機械工学系, 准教授 (90432682)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 製膜 / 有機薄膜 / 噴霧晶析 / 超臨界二酸化炭素 / 薄膜設計 / TIPSペンタセン / 溶解度 |
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| 研究実績の概要 |
超臨界二酸化炭素利用の噴霧晶析法により得られるTIPSペンタセン薄膜の結晶粒特性に及ぼす操作因子（①基板表面状態[自己組織化単分子膜（ヘキサメチルジシラザン，オクチルトリクロロシラン，オクタデシルトリクロロシランおよびフェネチルトリクロロシラン）による基板表面処理]，②基板傾斜角度，③基板温度，④噴射ノズルの種類）の影響を系統的に調査した。その結果，第一に，基板表面処理により基板の表面自由エネルギー（基板表面の安定性）が変化し，薄膜の成長機構が変化することを明らかにした。これにより，薄膜を構成している結晶粒の形態が異なることを見いだした。第二に，基板傾斜角度を増加させることにより，堆積粒子の減少と結晶粒の基板水平方向への成長促進が生じることで薄膜の均一性と結晶性が向上することを示した。第三に，基板上の結晶成長単位の運動エネルギー増加に寄与する基板温度上昇ならびに基板の表面自由エネルギーを低下させる表面処理（溶質－基板間相互作用の低下）により表面集積過程を促進させることで，結晶粒サイズが減少し，有機薄膜トランジスタのキャリア移動度が低下することを示した。これは，表面集積過程の促進が，基板水平方向の結晶成長よりも，結晶と基板表面に到達した結晶成長単位の再揮発を促進したことが原因であることを明らかにした。最後に，膨張ノズルとしてオリフィス型ノズルを採用することにより，堆積粒子の低減と時間あたりの薄膜の膜厚増加・薄膜の基板水平方向の結晶性向上が可能であることを見いだした。
さらに，我々が開発した紫外可視分光光度計を利用した飽和溶解圧力探索法により温度353.2及び373.2 K，圧力18～25 MPaの超臨界二酸化炭素に対するTIPSペンタセンの高精度な溶解度を蓄積した。さらに，半経験式であるChrastil式により得られた溶解度の良好な計算が可能であることを示した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
平成30年度は，以下の二つの項目を検討したことから，それぞれの現在までの進捗状況を評価する。
(1) 本技術による有機製膜に及ぼす種々の操作因子の影響の解明
平成30年度は，超臨界二酸化炭素利用の噴霧晶析法により得られるTIPSペンタセン薄膜の結晶粒の粒径・形態・結晶構造・分子配向性に及ぼす操作因子（①基板表面状態，②溶質溶解温度，③溶質溶解圧力，④噴射距離，⑤噴射時間，⑥基板温度）の影響を系統的に調査し，本技術による有機薄膜機構の解明に繋がる基礎データの蓄積を行い，薄膜設計の指針を明らかにする計画であった。しかしながら，前年度のテトラセン製膜の結果から，①基板表面状態と⑥基板温度以外の操作因子が製膜に及ぼす影響が小さいことが判明したことから，本年度は①と⑥以外の操作因子の影響は検討しなかった。その代わりに，予備検討により製膜に対して大きな影響を及ぼす可能性が示された⑦基板傾斜角度と⑧噴射ノズルの種類を新たな操作因子に追加し，その影響を明らかにした。つまり，前年度の結果に基づくことにより，本手法による薄膜創製に及ぼす影響について研究計画以上に進捗し，本技術による高性能な有機薄膜設計への指針が得られた。
(2) 超臨界二酸化炭素に対する有機半導体材料の溶解度の測定とモデル開発
平成29年度は，我々が開発した「紫外可視分光光度計を利用した飽和溶解圧力探索法」により温度353.2及び373.2 K，圧力15～23 MPaの超臨界二酸化炭素に対するテトラセンの高精度な溶解度の測定が可能であったことより，研究計画通りの進捗であると評価できる。さらに，研究計画通りに，半経験式であるChrastil式およびPredictive SRK状態方程式に基づく熱力学モデルより得られた溶解度の相関を試み，これらのモデルの溶解度計算への有用性を示したことから，研究計画通りの進捗であると評価できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
(1) 本技術による有機製膜に及ぼす種々の操作因子の影響の解明
次年度は，超臨界二酸化炭素利用の噴霧晶析法により得られる有機薄膜の結晶粒の粒径・形態・結晶構造・分子配向性に及ぼす操作因子（①基板表面状態［自己組織化単分子膜による基板表面処理］，②基板傾斜角度，③基板温度，⑤噴射ノズルの種類）の影響を系統的に調査し，本技術による有機薄膜機構の解明に繋がる基礎データの蓄積を行い，薄膜設計の指針を明らかにする。
さらに，本技術の実用化に向けた製膜装置・プロセスの検討として，基板をxy方向に動かすことにより大面積の有機半導体薄膜が可能となる装置の製作を行い，製膜を試みる。
有機半導体材料としてTIPSペンタセンに加えて，溶液塗布法で作製された有機薄膜トランジスタにおいて高いキャリア移動度が報告されている2-デシル-7-フェニル[1]ベンゾチエノ[3,2-b][1]ベンゾチオフェン（Ph-BTBT-10）を新たな有機半導体材料として用いる。基板は，SiO2/Siウェハを用いる。基板は，種々のSAM処理により表面エネルギーや有機半導体材料との親和性を変化させ，薄膜創製に及ぼすSAM処理（基板表面状態）の影響を検討する。
(2) 超臨界二酸化炭素に対する有機半導体材料の溶解度の測定とモデル開発
本年度は，種々の温度・圧力の超臨界二酸化炭素に対するPh-BTBT-10の溶解度を蓄積する。測定手法としては，我々が開発した「紫外可視分光光度計を利用した飽和溶解圧力探索法」を用いる。測定条件は，温度308.2～408.2 K，圧力10～25 MPaの範囲とする。さらに，状態方程式，溶液論，経験式に量子化学を加味した熱力学モデルにより得られた溶解度の相関を試みる。
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