Observation of conduction band structure of organic semiconductor and study of electron-phonon coupling

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有機半導体の機能は、電子と正孔の伝導により発現する。このうち電子の伝導機構は未解明である。有機半導体の電荷(正孔と電子) の伝導を決定するのは、分子間の電子的相互作用 (波動関数の重なり)、電荷－フォノン (分子内振動、分子間振動) 相互作用である。これまで正孔については、角度分解光電子分光法により観測された価電子帯バンド構造を基に正孔伝導機構が解明されてきた。これに対応する電子伝導の研究は皆無であった。代表者は、角度分解低エネルギー逆光電子分光法 (AR-LEIPS) を開発し世界初の有機半導体の伝導帯バンド構造の観測に成功した。これをさらに発展させて電子伝導機構を明らかにするのが本研究である。これまでに、代表者らはペンタセンの室温での伝導帯バンドの解析から、ポーラロンが形成されていることを明らかにしてきた。このバンド構造を再現するように、部分ポーラロンモデルという新しいポーラロン描像を提案した。このモデルを裏付けるため、ペンタセンの伝導帯と価電子帯のバンド幅の温度依存測定（100 Kから300 K）を行った。微小な変化を測定する極めて難しい測定であり、しかも熱膨張の影響が懸念されることから、熱膨張率の異なる基板について複数の測定を行い、温度依存性を確認した。この結果、価電子帯バンド幅は温度にほとんど依存しないのに対して、伝導帯バンド幅は低温でわずかに広がることが分かった。このバンド幅の温度依存は、部分ポーラロンモデルにより定量的に再現することができ、本モデルの妥当性を証明することができた。部分ポーラロンモデルに基いて、波束拡散法により正孔と電子の移動度を計算したところ、高い精度で実験データを再現することができた。このことは、電子-フォノン相互作用が電子移動度を低下させる大きな要因であることを示しており、有機半導体の電子伝導機構解明の大きな一歩である。