光学的手法による異方的なキャリア輸送の可視化

概要

東京工業大学大学院理工学研究科電子物理工学専攻の間中孝彰准教授と岩本光正教授は、有機単結晶中における異方的なキャリア輸送を直接可視化する手法を開発した。

研究の背景

キャリア移動度は有機デバイスの特性を決定する重要な指標であり、高移動度材料の開発や作製プロセスの研究が盛んに行われている。単結晶は高移動度を実現する上で有効ではあるが、キャリア輸送が単結晶特有の異方性^[用語1]に支配されたものとなるため、実際にデバイスに用いるにあたって移動度異方性を評価する必要がある。

一般に、移動度の異方性は電気特性から評価するが、電極を多数用意する必要があり分解能に制限がある、接触抵抗などの影響を除去する必要があるといった課題があった。

研究成果

移動度を電気特性から評価する一般的な手法の課題に対して、間中准教授らは時間分解顕微光第2次高調波発生法（TRM-SHG）^[用語2]と円形電極を用いて、有機半導体薄膜における移動度異方性を直接評価した。第2次高調波発生（SHG）信号は反転対称中心を持つ材料からは発生しないが、電界が材料に印加されることで発生するようになる。

材料に注入された電荷は、それ自身が電界の源となるため、電界の時間的変化をTRM-SHG法によって捉えることで、キャリア輸送の様子を直接観測することが可能となる。また、電極形状を工夫し、円形の単一電極を用いることで、電極の周囲全方向に同時にキャリアを注入・輸送させることができるため、キャリア輸送の異方性を直接可視化することができる。

Dip-coating法^[用語3]によって得られたTIPSペンタセン薄膜^[用語4]において、円形電極を用いて輸送特性を評価した結果を一例として図に示す。方向によってキャリアの進行距離が異なっており、輸送の異方性を画像として捉えることをできた。この結果からは移動度の最大値が2.1 cm²/Vs^[用語5]、最小値が0.55 cm²/Vs、移動度異方性が約3.8程度と見積もられた。

今後の展開

TRM-SHGと円形電極による手法を用いることで、単結晶材料や配向した高分子半導体材料において、異方性を含めた移動度の評価が可能となる。特に、接触抵抗などがある場合においても、その影響を考慮した解析ができ、新しい材料開発への貢献が期待される。一方で、この手法の特徴は材料中の電界を直接評価できることにある。そのため、移動度だけでなく、デバイス中に存在するトラップなどの情報に関しても得ることができる。また、有機デバイスのみならず、無機の半導体デバイスの評価法としても有効である。

（a）TIPSペンタセンの単結晶グレインの偏光顕微鏡像（矢印の方向は消光位を示し、中心に電極が確認できる）。
（b）～（d）TIPSペンタセンで観測されるキャリア輸送の異方性。時間経過にともなって、キャリアが電極から周辺に広がっていく様子を確認できる。

論文情報

掲載誌 :	Applied Physics Express
論文タイトル :	Direct Observation of Anisotropic Carrier Transport in Organic Semiconductor by Time-Resolved Microscopic Second-Harmonic Imaging
著者 :	Takaaki Manaka, Kohei Matsubara, Kentaro Abe, and Mitsumasa Iwamoto
所属 :	Department of Physical Electronics, Tokyo Institute of Technology
DOI :	10.7567/APEX.6.101601