高分子半導体/無機半導体界面の電子状態に関する研究

高分子半導体を利用した有機電界発光素子や太陽電池は、高分子溶液をITO等の透明半導体基板上に塗布し薄膜を形成できること、また薄膜が力学的柔軟性を有することなどのため、低分子有機半導体を使用した有機デバイスに比べると実用的な点から優れた性質を有している。しかし、一方では、低分子有機デバイスに比べると、大気中で試料を作成することが欠点となり、有機/無機界面の電子構造や分子の配向に関する研究がほとんど行われていないのが現状である。本研究では高分子半導体、poly(3-hexylthiophene)(P3HT)、の製膜条件(溶液濃度、溶媒の種類、アニール温度など)をパラメータとして表面再外層の分子配向、特に表面から外側にしみ出す電子状態についてペニングイオン化電子分光法(PIES)と柴外光電子分光法(UPS)を併用して研究した。両分光スペクトル中の価電子バンドの強度比較を行うことにより高分子薄膜表面の外側に存在する化学種とその配向に依存した最高価電子準位の電子の膜外への広がりに関する知見を得て、これら高分子上に積層した有機半導体分子との電荷移動効率に関する直接的情報を得た。これらの結果、溶液の濃度や回転塗布時の回転速度など、製膜条件を制御することにより表面層の分子配向を変化させうることを発見し、界面電荷移動のキーとなる最高占有準位(HOMO)の電子の膜表面外へのしみ出し量を制御できることを示した。以上から、P3HT薄膜と多彩な有機半導体界面での電荷移動(注入)効率の向上に必要なP3HT薄膜の製膜条件を電子論的に決めることに成功した。

高分子半導体を利用した有機電界発光素子や太陽電池は、高分子溶液をITO等の透明半導体基板上に塗布し薄膜を形成できること、また薄膜が力学的柔軟性を有することなどのため、低分子有機半導体を使用した有機デバイスに比べると実用的な点から優れた性質を有している。しかし、一方では、低分子有機デバイスに比べると、大気中で試料を作成することが欠点となり、有機/無機界面の電子構造や分子の配向に関する研究がほとんど行われていないのが現状である。本研究では高分子半導体、poly(3-hexylthiophene)(P3HT)、の製膜条件(溶液濃度、溶媒の種類、アニール温度など)をパラメータとして表面再外層の分子配向、特に表面から外側にしみ出す電子状態についてペニングイオン化電子分光法(PIES)と柴外光電子分光法(UPS)を併用して研究した。両分光スペクトル中の価電子バンドの強度比較を行うことにより高分子薄膜表面の外側に存在する化学種とその配向に依存した最高価電子準位の電子の膜外への広がりに関する知見を得て、これら高分子上に積層した有機半導体分子との電荷移動効率に関する直接的情報を得た。これらの結果、溶液の濃度や回転塗布時の回転速度など、製膜条件を制御することにより表面層の分子配向を変化させうることを発見し、界面電荷移動のキーとなる最高占有準位(HOMO)の電子の膜表面外へのしみ出し量を制御できることを示した。以上から、P3HT薄膜と多彩な有機半導体界面での電荷移動(注入)効率の向上に必要なP3HT薄膜の製膜条件を電子論的に決めることに成功した。