有機半導体の励起子束縛エネルギーを精密に測定：バンドギャップの4分の1に比例

千葉大学と理化学研究所、広島大学の共同研究チームは、有機半導体の励起子束縛エネルギーを精密に測定することに成功し、励起子束縛エネルギーがバンドギャップの4分の1に比例することを発見した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

バンドギャップだけで励起子束縛エネルギーが決まる

　千葉大学と理化学研究所、広島大学の共同研究チームは2023年12月、有機半導体の励起子束縛エネルギーを精密に測定することに成功し、励起子束縛エネルギーがバンドギャップの4分の1に比例することを発見したと発表した。

　有機半導体を用いると、フラットパネルディスプレイのような薄くて軽いフレキシブルなデバイスを製造できる。しかも、半導体が光を吸収すると、「励起子」と呼ばれる電子と正孔がクーロン引力で結びついた準粒子が生成されるなど、無機半導体とは異なる性質を備えている。

　この引力の大きさが「励起子束縛エネルギー」である。有機半導体の励起子束縛エネルギーは、室温エネルギー（0.03eV）の10倍以上となるため、これを制御する必要があるという。例えば、太陽電池では太陽光を吸収すると生成される励起子を解離し、電子と正孔に分けると発電する。この時、励起子束縛エネルギーを小さくできれば、励起子を効率よく解離できる。ところがこれまでは、有機半導体における励起子束縛エネルギーを精密に測定する方法がなかったという。

　そこで今回は、千葉大学の吉田弘幸教授らが2012年に開発した「低エネルギー逆光電子分光法（LEIPS）」を用い、有機半導体の電子親和力を0.05eVという高い精度で測定することに成功した。これを用い、励起子束縛エネルギーを従来の5倍に相当する0.1eVの精度で測定する方法を確立した。

　研究チームは今回確立した手法を用い、有機太陽電池材料や有機EL素子など42種類の有機半導体における励起子束縛エネルギーを測定した。この結果、励起子束縛エネルギーは、分子の形などには関係なく、バンドギャップの4分の1に比例することを確認した。このことから、「励起子束縛エネルギーを制御するには、バンドギャップを変えるのが最も効果的」ということが分かった。そのためには、「適切なイオン化エネルギーと電子親和力の材料を選ぶ必要があること」も明らかにした。

半導体が光を吸収すると、正孔と電子が結びつき励起子が生成される。励起子の解離に必要なエネルギーが励起子束縛エネルギーである（左図）。42種類の有機半導体における励起子束縛エネルギーとバンドギャップの関係（右図）［クリックで拡大］ 出所：千葉大学他

　今回の研究成果は、千葉大学大学院工学研究院の吉田弘幸教授、融合理工学府博士前期課程（研究当時）の杉江藍氏、理化学研究所創発物性科学研究センター（CEMS）の中野恭兵研究員、但馬敬介チームリーダーおよび、広島大学大学院先進理工系科学研究科の尾坂格教授ら共同研究チームによるものである。