金属/有機半導体界面の原子拡散安定性とショットキーバリアの研究

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本研究の目的は、第一原理計算を用いて、金属/有機半導体界面を対象に、原子拡散に対する電子状態と電場下での不純物含有構造安定性を解明することである。具体的には、多種存在する有機半導体に共通な性質を解明するために、比較的分子構造の小さなナフタレン分子をペンタセン分子固体の密度に倣って配置したモデル分子固体を作成し、これを用いて様々な不純物原子(Al,Au,In,O,H等)が拡散した後に作り出すホスト分子固体の電子構造の変化(HOMO,LUMO準位)や不純物準位について系統的に調べた。その結果、分子固体の電子構造の変化や不純物準位は、主に次の4つに分類されることが明らかとなった。1.Al,Ga,In,Mg,Naといった電気陰性度の小さな陽イオン原子は、そのp軌道がホスト分子固体のπ*軌道と混成軌道を作り、ドナーとして振る舞う。2.O,S,Seといった電気陰性度の大きな陰イオン原子は、HOMO準位より低いエネルギー位置に孤立準位を作る。3.Nは、その電気陰性度の大きさからアクセプターとなり、HOMO準位の上約0.3eVに分子固体のπ軌道とNのp軌道を用いた混成軌道から成る不純物準位を作る。一方、SiやAsといった中間原子価の原子は、p軌道を用いてHOMO-LUMOギャップ間の中央付近に深い不純物準位を作る。4.Au,Pt,Niといったd軌道金属原子は、s(Au,Pt)、d(Ni)、π*-d混成軌道(Ti,Hf)からなる局在した深い不純物準位をHOMO-LUMOギャップ間中央付近につくることを明らかにした。これらの分類は、Si等の無機半導体とは全く異なる特性を示すものとして理論的・科学的に重要であると共に、実験や応用において不純物準位の特定を可能にするものであり、今後の研究に向けての有益な知見が得られた。