光分子科学研究領域解良グループ

機能性大型分子材料の光・電子物性評価

情報化社会の発展、エネルギー・環境問題の背景から、電子デバイスの軽量化・フレキシブル化、新奇機能開発など、既存の無機材料技術では困難な要求が人類に突きつけられています。これに応答すべく、有機半導体と呼ばれる機能性大型分子群の特性を利用した様々なソフトデバイスの研究が賑わいを見せ、多彩な構造をもつ分子材料が日夜設計・開発されています。しかし依然として個々の分子の特徴を区別し、要望されるデバイスの中で適切な材料として自在に活用することができていません。これは本来の特性として絶縁物たる有機分子群が「有機半導体」として材料機能を示す理由とその真の特徴を認識できていないことに帰着します。具体的には、デバイスにおける無機物（金属電極）との界面における分子の変性はもちろんのこと、構造異方性の高い異分子間界面の原子レベルでの相互作用についての理解が全く不十分であるということです。また物性の発現機構や原理、その制御のための量子論的な中身が全く明確でなく、適切なガイドラインが構築されぬまま手探り状態の応用研究が続けられていることを意味します。

光電子分光法による電子状態評価は「分子の中の電子の姿」を量子論的に明らかにする上で極めて有効ですが、分子材料に対する実験的な難しさ（試料作製技術、光損傷や帯電回避など測定技術）や解析の複雑さから、電気伝導特性の中身とリンクさせることが容易ではありませんでした。最近になってようやく技術が浸透し、高感度紫外光電子分光の実現による研究成果が積み重ねられ、有機半導体の特徴が見始めています。分子固体は、その集合構造に応じて分子間相互作用が異なり、電子の波動性が前面に現れたり、粒子性が強調されたりします。機能性大型分子の特徴は次の３つにまとめられます。(1)分子は弱い分子間相互作用で固体を作るため、固体においても波動関数は分子軌道を保存し、電子はほぼ分子内に局在化します。(2)分子の低い対称性から、波動関数は空間的に凸凹であり集合構造に敏感でかつ非連続系です。そのため分子の個性だけで固体物性は決まらず、集合体における僅かな変調により生じた“新たな個性”の二面性を併せ持ちます。つまり分子は柔らかく、弱い外的摂動で僅かであるが容易に変化します。(3)分子は軽元素で構成されますが、電子の入れ物としての量子構造体と考えると、一つ一つの分子は非常に大きく重いためフォノンの影響を受けやすくなります。特に振動による分極の衣をまとった準粒子が分子内に局在した状態から周辺の数分子へと、電荷の輸送時間スケールに応じて空間変動する点が特徴であることがわかってきました。

今後は分子膜における強い電子・振動結合状態や、分子の再配向エネルギーが僅かな分子間相互作用に依存して変化する現象や、波動関数の局在性により誘起される強い電子相関など、分子軌道波動関数の“局在性の度合い“に依存した物理現象に着目し、機能性大型分子の最たる特徴である、弱い分子間相互作用とその電子状態について重要な話題を提供していきたいと考えています。

ペンタセン分子の集合状態に依存した最高占有準位HOMOの状態変化

参考文献

1) N. Ueno, S. Kera, “Electron spectroscopy of functional organic thin films: Deep insights into valence electronic structure in relation to charge transport property”, Prog. Surf. Sci. 83, 490-557 (2008).

2) S. Kera, H. Yamane, N. Ueno, “First principles measurements of charge mobility in organic semiconductors: Valence hole-vibration coupling in organic ultrathin films”, Prog. Surf. Sci. 84 135- 154 (2009).

3) F. Bussolotti, S. Kera, N. Ueno, “Potassium doping of single crystalline pentacene thin film”, Phys. Rev. B 86, 155120-1-9 (2012).

4) F. Bussolotti, S. Kera, K. Kudo, A. Kahn, N. Ueno, “Gap states in pentacene thin film induced by inert gas exposure”, Phys .Rev. Lett. 110, 267602-1-5 (2013).

5) J.-Q. Zhong, X. Qin, J.L. Zhang, S. Kera, N. Ueno, A.T.S. Wee, J. Yang, W. Chen, “Energy level realignment in weakly interacting donor-acceptor binary molecular networks”, ACS Nano, 8, 1699–1707 (2014).