Observation of conduction band structure of organic semiconductor and study of electron-phonon coupling

有机半导体导带结构观察及电子声子耦合研究

基本信息

批准号：
21H01902
负责人：
吉田弘幸
金额：
$ 11.15万
依托单位：
Chiba University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

有機半導体の機能は、電子と正孔の伝導により発現する。このうち電子の伝導機構は未解明である。有機半導体の電荷(正孔と電子) の伝導を決定するのは、分子間の電子的相互作用 (波動関数の重なり)、電荷－フォノン (分子内振動、分子間振動) 相互作用である。これまで正孔については、角度分解光電子分光法により観測された価電子帯バンド構造を基に正孔伝導機構が解明されてきた。これに対応する電子伝導の研究は皆無であった。代表者は、角度分解低エネルギー逆光電子分光法 (AR-LEIPS) を開発し世界初の有機半導体の伝導帯バンド構造の観測に成功した。これをさらに発展させて電子伝導機構を明らかにするのが本研究である。これまでに、代表者らはペンタセンの室温での伝導帯バンドの解析から、ポーラロンが形成されていることを明らかにしてきた。このバンド構造を再現するように、部分ポーラロンモデルという新しいポーラロン描像を提案した。このモデルを裏付けるため、ペンタセンの伝導帯と価電子帯のバンド幅の温度依存測定（100 Kから300 K）を行った。微小な変化を測定する極めて難しい測定であり、しかも熱膨張の影響が懸念されることから、熱膨張率の異なる基板について複数の測定を行い、温度依存性を確認した。この結果、価電子帯バンド幅は温度にほとんど依存しないのに対して、伝導帯バンド幅は低温でわずかに広がることが分かった。このバンド幅の温度依存は、部分ポーラロンモデルにより定量的に再現することができ、本モデルの妥当性を証明することができた。部分ポーラロンモデルに基いて、波束拡散法により正孔と電子の移動度を計算したところ、高い精度で実験データを再現することができた。このことは、電子-フォノン相互作用が電子移動度を低下させる大きな要因であることを示しており、有機半導体の電子伝導機構解明の大きな一歩である。

有机半导体的功能是通过电子和空穴的传导来表达的。其中，电子传导机制仍然未知。有机半导体中电荷（空穴和电子）的传导是由分子之间的电子相互作用（波函数重叠）和电荷声子（分子内和分子间振动）相互作用决定的。到目前为止，空穴传输机制已经基于角分辨光电子能谱观察到的价带结构得到阐明。目前还没有与此相对应的电子传导研究。该代表开发了角分辨低能逆光电子能谱（AR-LEIPS），在世界上首次成功观察到有机半导体的导带结构。本研究旨在进一步发展这一点并阐明电子传导机制。到目前为止，研究人员已经揭示，极化子是通过分析室温下并五苯的导带形成的。为了重现这种能带结构，我们提出了一种新的极化子图，称为部分极化子模型。为了支持这个模型，我们对并五苯的导带和价带宽度进行了与温度相关的测量（从 100 K 到 300 K）。由于这是一项极其困难的测量，涉及测量微小的变化，并且担心热膨胀的影响，因此对具有不同热膨胀系数的基板进行了多次测量，以确认温度依赖性。结果表明，价带宽度几乎与温度无关，而导带宽度在低温下略有扩展。该带宽的温度依赖性可以使用部分极化子模型定量再现，证明该模型的有效性。基于部分极化子模型，我们利用波包扩散法计算了空穴和电子的迁移率，并且能够高精度地再现实验数据。这表明电子-声子相互作用是降低电子迁移率的主要因素，并且是阐明有机半导体中电子传导机制的重要一步。