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

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K05289
• 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
• キーワード: 有機半導体 / 結晶成長 / 2次元X線回折 / 電子線ホログラフィー

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持ち込み、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った。
成膜実験では、C10のアルキル鎖を有するC10-4T を試料として用いた。C10-4Tは出発原料であるチオフェンから独自に合成し、再結晶、昇華を繰り返すことで 精製した。得られたC10-4Tの同定及び純度の確認は、核磁気共鳴分光法(NMR)と質量分析を用いて行った。X線透過用ベリリウム窓を装備した自作の真空蒸着装置 および2次元検出器PILATUS300Kを用いてSPring-8、BL19B2でC10-4T薄膜の形成過程のリアルタイム2D-GIXD測定を行った。また独自に開発した温度可変ステージ を用いて基板温度を40°C~70°Cの温度域で制御し、基板温度を変化させながらによる2D-GIXDのリアルタイム観測を行った。実験の結果、アニーリング前後では スポット位置が異なり温度変化による相転移によって結晶構造が変化したと考えられる。現在、キャリア輸送特性と結晶構造の関係を明らかにするため、これら の画像からの薄膜の結晶構造解析を試みている。 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うことにより、有機半導体薄膜の構造を総合的に明らかにする。

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

放射光実験で得た2次元X線回折データから結晶構造を解析する手法の開発を行なった。解析パラメータの詳細を検討し、アルキル鎖中の原子位置の再現に着目した検討を行った結果R因子を減少させること成功した。さらに、合成した有機半導体Cn4Tについて多形の出現条件を解明するための実験を行ない、成膜温度による効果を明らかにした。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ための有機EL発光デ バイスの作製環境を整備するとともに短絡状態で電位分布が形成される機構を説明した。

今後の研究の推進方策

有機半導体成膜中のin situ2次元X線回折については、今年度は蒸着装置の整備を進め基盤温度と膜圧制御の自動化を行う。また、機械学習を用いた結晶構造予測のため成膜装置の開発を行う。さらに、電子線ホログラフィーによる有機半導体薄膜内の電位分布の観測につい ては、JFCCとの共同で有機EL発光デバイスの観察を実施する。

研究成果

• [国際共同研究] CINaM CNRS UMR 7325(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CINaM CNRS UMR 7325
• [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 ページ: 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 ページ: 24-38
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfaa061
  • 査読あり
• [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 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 ページ: 195－204
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b03329
  • 査読あり / 国際共著
• [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
• [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: 978-4-339-00938-5