Comprehensive molecular dynamics simulations to reproduce the whole processes of nucleation and growth of organic semiconductor thin films

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研究期間の2年目となった2022年度は、初年度に整備した分子動力学（MD）シミュレーションシステム（ハードウェア、ソフトウェア）、ならびにそれを用いて行った予察的シミュレーション結果を基に、より詳細な条件でのMDシミュレーションを実施した。具体的には、表面を疎水性官能基で修飾したアモルファスシリカ基板上における有機半導体ペンタセン分子の寝た状態から立った状態への分子再配向過程を様々な温度条件のシミュレーションで確認し、メカニズム解明に注力した（棒状有機半導体分子は孤立している状況において基板表面に寝て吸着するが、成長後の薄膜中では立っているという普遍的な現象があり、寝た状態から立った状態への分子再配向をシミュレーションで再現し理解することが、本研究課題の最終目標である核生成・薄膜成長全過程包括シミュレーションを達成するための鍵になると考えられる）。初年度の予察的シミュレーションにおいて、立った分子からなるクラスターを予め初期構造モデル中に配置すると、周囲の寝た分子や分子クラスターが再配向して立つ場合があるという結果が得られていたため、同様の初期構造モデルを出発点とし、245 Kから520 Kという幅広い温度範囲（25 Kきざみ）でシミュレーションを行い、再配向現象を考察した。シミュレーション結果の動画より、既に立っている分子クラスター近傍の寝た分子クラスターが一気に立ち上がる様子が再現性良く確認されたが、熱的、速度論的な考察から、高分子の再配向で見られる協同運動とは異なり、１分子が立つ際のエネルギー障壁程度のトリガ（立った分子クラスターと寝た分子・分子クラスターの間のエネルギー的相互作用）によって、複数分子からなるクラスターであっても同期現象的に立ち上がることがわかった。