分子ナノ構造を制御してHOMOとLUMOの軌道分裂の直接観測に成功

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有機EL素子や有機太陽電池など、n型有機半導体の性能向上へ

2018-07-03 千葉大学,分子科学研究所,イェナ大学(ドイツ)

千葉大学 吉田弘幸教授、分子科学研究所 解良聡教授、ドイツのイェナ大学T.フリッツ教授の3グループによる国際共同研究チームは、有機半導体のホールが流れる最高被占軌道HOMOと電子が流れる最低空軌道LUMOの分子軌道の分裂を観測することに成功しました。この軌道分裂は量子力学の基本法則によるもので、ここから分子軌道の重なりの大きさがわかります。この分子軌道の重なりは、いまだに明らかにされていない有機半導体中のホールや電子の伝導機構の解明に欠かせないものです。特に、LUMOの分子軌道の重なりについては初めての観測で、これまで性能が低かったn型有機半導体の性能向上に貢献するものです。

研究の背景と目的

プラスチックなどの有機物は、ふつうは電気を流さない絶縁体です。しかし、有機物の中にもわずかながら電気を流す物質があります。これを有機半導体と呼んでいます。このような有機半導体は、電気を流すだけでなく、電気を光に変える発光素子や光を電気に変える太陽電池、信号増幅するトランジスターなどの半導体デバイスに応用することができます。特に有機発光素子は、有機EL素子と呼ばれ、すでにテレビやスマートフォン用の高性能ディスプレイに実用化されています。
有機半導体デバイスは、プラスの電荷をもつホール※1とマイナスの電荷をもつ電子※2が動くことで動作します(図1)。しかし、本来は絶縁体である有機物の中をどのようにしてホールや電子が流れるのか、まだよくわかっていません。電気が流れるということは、有機半導体の分子と分子の間を「分子軌道の重なり」を伝わって電荷が移ることです。分子軌道の重なりが測定できれば、有機半導体を電気が流れる仕組みが解明できます(図2)。分子にはたくさんの分子軌道がありますが、電気伝導に関わるホールが入っている最高被占軌道(HOMO)※3、電子が入っている最低空軌道(LUMO)※4が重要です。HOMOとLUMOの重なりを調べれば、ホールと電子が流れる機構がわかります。
研究グループは、このような有機半導体分子の分子軌道の重なりを調べるのに、量子力学の基本原理に注目しました。量子力学によれば、分子軌道が重なると、重なりの大きさに応じてエネルギー準位が分裂します(図2)。2つの分子の分子軌道が重なれば2つに、3つの分子の軌道が重なれば3つに分裂します。これは、量子化学の教科書にも出てくる基本的な性質ですが、これまでHOMOについては2分子の分裂が観測されていましたが、3分子以上のエネルギー準位の分裂を測定した例はありませんでした。また、LUMOについては分裂を観測した例は全くありませんでした。これは、有機分子のナノ構造を制御して並べることが難しいためです。またLUMOについては、そもそも測定手段がありませんでした。

研究成果

このような研究を実現するには、ナノ構造の制御、LUMOの測定という二つの課題を克服する必要があります。有機分子のナノ構造を作製するのには物理吸着法を用います。ナノ構造を制御するには、(1)膨大な数の有機半導体分子の中から最適のナノ構造を持つ候補分子を探し、(2)分子が並ぶ最適な基板を選び、(3)物理吸着条件を最適化するという3段階が必要です。研究グループは、錫フタロシアニンという有機半導体分子を、炭素(グラファイト)の基板表面に並べると、2分子、3分子と5分子まで縦に並んだ1次元スタックというナノ構造ができることを見出しました(図3)。

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