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

有机半导体导带结构观察及电子声子耦合研究

• 批准号: 21H01902
• 负责人: 吉田 弘幸
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: Chiba University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01902/
• 关键词: 有機半導体; 伝導帯; 電子伝導; 電子-フォノン相互作用; 角度分解低エネルギー逆光電子分光; 伝導帯バンド構造; 電子－フォノン相互作用; エネルギーバンド構造; 電子移動度; ポーラロン

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。

Organic semiconductors exhibit と functions, と positive holes, 伝 conduction, によ and する. <s:1> うち うち electronic 伝 conduction mechanism 伝 unexplained である. Organic semiconductor の charge (positive hole と electronic) の 伝 guide を decided す る の は, の electronic interaction between the molecules (wave number of masato の な り), the charge - フ ォ ノ ン (vibration) between molecular vibration and molecular interaction で あ る. こ れ ま で is hole に つ い て は, Angle decomposition photoelectron spectrometry に よ り 観 measuring さ れ た 価 electronic 帯 バ ン ド を basis に is hole 伝 guide institutions が interpret さ れ て き た. There is no であった in the study of 応する electron 伝 conductive bands by であった れに. Representatives は, low Angle decomposition エ ネ ル ギ ー backlight electron spectrometry (AR - LEIPS) を open 発 し initial の world organic semiconductor の 伝 guide 帯 バ ン ド tectonic の 観 に measuring success し た. Youdaoplaceholder5 れをさらに development させて electronic 伝 research institute を Ming らに する にする が this study である. こ れ ま で に representatives, ら は ペ ン タ セ ン の room-temperature で の 伝 guide 帯 バ ン ド の parsing か ら, ポ ー ラ ロ ン が form さ れ て い る こ と を Ming ら か に し て き た. こ の バ ン ド tectonic を reappearance す る よ う に, partial ポ ー ラ ロ ン モ デ ル と い う new し い ポ ー ラ ロ ン stroke like を proposal し た. Pay in こ の モ デ ル を け る た め, ペ ン タ セ ン の 伝 guide 帯 と 価 electronic 帯 の バ ン ド picture の determination of temperature dependent (100 K か ら 300 K) line を っ た. Determination of tiny な variations change を す る extremely め て difficult し い determination で あ り, し か も thermal expansion の influence が suspense さ れ る こ と か ら, thermal expansion rate の different な る substrate に つ い て determination of plural の を い, temperature dependency を confirm し た. こ の results, 価 electronic 帯 バ ン ド picture は temperature に ほ と ん ど dependent し な い の に し seaborne て, 伝 帯 バ ン ド picture は low-temperature で わ ず か に hiroo が る こ と が points か っ た. こ の バ ン ド の temperature dependent は picture, partial ポ ー ラ ロ ン モ デ ル に よ り quantitative に reappearance す る こ と が で き, this モ デ ル の justice を prove す る こ と が で き た. Part ポ ー ラ ロ ン モ デ ル に base い て, beam company law に よ り moving hole と electronic の degrees を computing し た と こ ろ, high precision い で be 験 デ ー タ を reappearance す る こ と が で き た. こ の こ と は, electron - フ ォ ノ ン が electronic interaction between low degree of mobile を さ せ る big き な by で あ る こ と を shown し て お り, organic semiconductor の electronic 伝 guide agencies interpret の big き な one step で あ る.

项目成果

Electron affinities of small-molecule organic semiconductors: Comparison among cyclic voltammetry, conventional inverse photoelectron spectroscopy, and low-energy inverse photoelectron spectroscopy

• DOI: 10.1016/j.orgel.2022.106551
• 发表时间: 2022-07-01
• 期刊: ORGANIC ELECTRONICS
• 影响因子: 3.2
• 作者: Kubo, Mihiro;Yoshida, Hiroyuki
• 通讯作者: Yoshida, Hiroyuki

有機半導体のLUMO バンド構造の実測と伝導機構の解明

有机半导体LUMO能带结构的测量和传导机制的阐明

• 发表时间: 2022
• 作者: Yoshino Haruka;Tomokage Narumi;Mishima Akio;Le Ouay Benjamin;Ohtani Ryo;Kosaka Wataru;Miyasaka Hitoshi;Ohba Masaaki;吉田弘幸
• 通讯作者: 吉田弘幸

Electron injection and collection barriers at organic/metal interface

有机/金属界面的电子注入和收集势垒

• 发表时间: 2022
• 作者: 北河 康隆;甘水 君佳;佐藤 宏賢;長 奎吾;矢野 なつみ;片岡 祐介;中野 雅由;吉田弘幸
• 通讯作者: 吉田弘幸

ペロブスカイト薄膜の表面構造と界面電子準位接続

钙钛矿薄膜的表面结构和界面电子级连接

• 发表时间: 2022
• 作者: 吉田弘幸

Metal screening effect on energy levels at metal/organic interface: Precise determination of screening energy using photoelectron and inverse-photoelectron spectroscopies

• DOI: 10.1103/physrevb.104.085305
• 发表时间: 2021-08-11
• 期刊: PHYSICAL REVIEW B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Aihara, Takumi;Abd-Rahman, Syed A.;Yoshida, Hiroyuki
• 通讯作者: Yoshida, Hiroyuki