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有機太陽電池や有機電界発光素子の動作機構を理解するうえで、デバイス機能を担う正・負のキャリアの電子状態をミクロに解明することが重要である。そこで本年度は、イオン液体をゲート絶縁膜に用いた薄膜トランジスタ（TFT）構造を用いて、導電性高分子F8BTに高効率に正・負のキャリアを注入し、電場誘起ESR法によりその電子状態の解明を試みた。TFTに印加するゲート電圧の極性によりキャリアの符合を制御し、正キャリアと負キャリアで異なるg値を持つESR信号の観測に成功した。g値の自由電子の値からのシフトは負キャリアで顕著に大きくなった。このことは、産総研の下位によるg値のDFT計算ともよく一致しており、負キャリアの波動関数がベンゾチアジアゾール(BT)基の硫黄原子上で大きくなることを反映する。また、g値の角度依存性をDFT計算の結果と比較した結果、高分子鎖は基板面内にあるが、分子面は面直方向から面内方向までランダムに配向することが明らかになった。
さらに、ESR信号のゲート電圧依存性を測定した結果、高濃度のキャリア蓄積に伴い正キャリア側ではスピンを持たないバイポーラロンの形成を示唆するスピン濃度の飽和が観測されたが、負キャリア側ではそのような振る舞いが見られず、電子と正孔で非対称な電子状態になることが明らかになった。
本研究で得られたキャリアのミクロ情報は、正キャリアと負キャリアが共に機能発現を担う発光素子や有機太陽電池の機能解明に有用であり、今後、ESR法に基づく素子評価手法の発展が期待される。
本年度はさらに、高移動度を示す有機TFTにおける正キャリアのミクロ観測や、イオン液体ゲートトランジスタにおける金属-絶縁体転移の研究を進め、顕著な成果が得られている。
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