準ホモエピタキシャル成長で有機半導体を開発：異分子間でも高い結晶性を実現

東京理科大学は、ルブレン単結晶基板（RubSC）上に、その誘電体（fmRub）をエピタキシャル成長させたところ、作製した薄膜は層間における結晶格子のずれが極めて小さい「準ホモエピタキシャル成長」していることを実証した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

有機太陽電池など有機半導体デバイスに応用

　東京理科大学理工学部先端化学科の中山泰生准教授らによる研究グループは2022年2月、ルブレン単結晶基板（RubSC）上に、その誘電体（fmRub）をエピタキシャル成長させたところ、作製した薄膜は、層間における結晶格子のずれが極めて小さい「準ホモエピタキシャル成長」していることを実証したと発表した。研究成果は、有機太陽電池などの有機半導体デバイスに応用できるとみている。

結晶構造が類似した有機半導体を組み合わせることで、界面の結晶性と電荷移動効率を改善［クリックで拡大］ 出所：東京理科大学

　有機半導体デバイスは、軽量で柔軟性に優れ、製造コストも安いなど、さまざまな特長がある。ただ、電気的特性を高めるには、異種材料で形成する界面の整合性が課題となっていた。そこで研究グループは、多環芳香族化合物の1つで、電荷キャリア移動度が極めて高いp型有機半導体材料のRubSCと、正孔と電子の両方で高い移動度を持つfmRubを組み合わせることにした。この2つは、わずかに異なる結晶格子を有し、柔軟性にも優れた有機分子であるからだ。

　実験ではまず、RubSC上にfmRubの薄膜を形成し、X線回折（XRD）により結晶性を評価した。この結果、fmRub層がRubSCの（100）面に対して、（001）方向に成長していることが分かった。fmRubのc軸の高さは3.437nmである。面外方向の平均結晶子サイズは28nmで、上層の膜厚（50nm）よりも小さいことから、面外方向にドメイン境界あるいは複数の結晶相を含んでいることが分かった。

　回折点の強弱を解析した結果、fmRubの結晶格子のa軸とb軸は、それぞれRubSCの結晶格子のb軸とc軸に対して平行となっており、fmRubがRubSCの（100）面上でエピタキシャル成長していることを確認した。

　続いて、微小角入射X線回折（GIXD）により、薄膜の結晶構造を評価した。これにより、fmRubとRubSCの結晶格子はほぼ一致し、結晶格子のずれは0.005nmおよび0.02°未満であり、わずかなことが判明した。

　さらに、紫外光電子分光法（UPS）を用い、薄膜表面の電子状態も評価した。この結果、RubSCからfmRubに向かって電子移動が発生、これが引き金となってRubSCからfmRubに上方の「バンド曲がり」が生じていることも分かった。