Studies on delocalized Frenkel excitons in organic semiconductor single-crystals exhibiting band transport

電子状態の非局在化は半導体光エレクトロニクスの駆動効率を最大化するための必要条件である。これに対し，分子固体である有機半導体では荷電キャリアおよび励起子は個々の分子に束縛されて局在化し，有機半導体の光エレクトロニクスデバイスにおいて動作効率を制約する要因となっている。一方で，分子を高秩序に整列させた単結晶試料では複数の分子に非局在化した電子状態（電子バンド）を生じる有機半導体も存在する。しかし，こうしたバンド伝導性有機半導体結晶における励起子の性質は十分に検討されていない。本研究は，エピタキシャル成長によるバンド伝導性有機p-n接合の自発形成と，そこに非局在化するキャリア・励起子の統一的な物性解明を目的とするものである。2022年度には，専用の走査型プローブ顕微鏡装置を研究代表者機関に導入し，多くのバンド伝導性有機半導体材料について結晶作製やヘテロエピタキシャル成長条件を緻密に調整して構造評価を繰り返すことができる態勢を整えた。例えば，これを当グループが見出した「準ホモエピタキシャル」有機半導体界面試料系に適用し，高秩序界面が得られる製膜条件の探査を進め，得られた試料に対してシンクロトロン放射光(SPring-8，分子科学研究所UVSOR)を用いた高分解能表面X線回折法による精密な構造決定や角度分解光電子分光実験による電子バンド分散の測定実験を実施している。一方，研究分担者（細貝）が所有するフェムト秒レーザーを用いた過渡発光分光測定による励起子の時間発展分析も進めており，迅速かつ高感度な計測により多数の有機EL材料として期待される熱活性化遅延蛍光材料の発行特性を取得し機械学習へ適用した研究成果を報告した原著論文は，専門誌の表紙に採択されるなど注目を集めている。

電子状態の非局在化は半導体光エレクトロニクスの駆動効率を最大化するための必要条件である。これに対し，分子固体である有機半導体では荷電キャリアおよび励起子は個々の分子に束縛されて局在化し，有機半導体の光エレクトロニクスデバイスにおいて動作効率を制約する要因となっている。一方で，分子を高秩序に整列させた単結晶試料では複数の分子に非局在化した電子状態（電子バンド）を生じる有機半導体も存在する。しかし，こうしたバンド伝導性有機半導体結晶における励起子の性質は十分に検討されていない。本研究は，エピタキシャル成長によるバンド伝導性有機p-n接合の自発形成と，そこに非局在化するキャリア・励起子の統一的な物性解明を目的とするものである。2022年度には，専用の走査型プローブ顕微鏡装置を研究代表者機関に導入し，多くのバンド伝導性有機半導体材料について結晶作製やヘテロエピタキシャル成長条件を緻密に調整して構造評価を繰り返すことができる態勢を整えた。例えば，これを当グループが見出した「準ホモエピタキシャル」有機半導体界面試料系に適用し，高秩序界面が得られる製膜条件の探査を進め，得られた試料に対してシンクロトロン放射光(SPring-8，分子科学研究所UVSOR)を用いた高分解能表面X線回折法による精密な構造決定や角度分解光電子分光実験による電子バンド分散の測定実験を実施している。一方，研究分担者（細貝）が所有するフェムト秒レーザーを用いた過渡発光分光測定による励起子の時間発展分析も進めており，迅速かつ高感度な計測により多数の有機EL材料として期待される熱活性化遅延蛍光材料の発行特性を取得し機械学習へ適用した研究成果を報告した原著論文は，専門誌の表紙に採択されるなど注目を集めている。