SP8産業利用報告会s.ppt

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2009/9/3@東京!

http://mole.te.chiba-u.jp/

_{Chiba University Global COE Program!}

Advanced School for Organic Electronics"

SPring-8 第6回産業利用報告会!

ST!"5#

1.

背景

2."

_{ペンタセン結晶ドメイン中のHOMOバン}

ド端ゆらぎ

3." GIXD

による基板面内結晶構造解析

4."

考察：バンド端ゆらぎの起源、さらには

微細結晶構造の起源

5."

まとめ

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What we are aiming at:

More electronics in food, clothing and shelter!

To make our life better and more comfortable.

衣食住に、もっとエレクトロニクスを！

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Jurchescu et al., Adv. Mater., 19 (2007) 668.

! " # $ % & ' ' = ₂DS T G DS i DS V V V V L WC I µ ¾½Ç¾È7É/! ʳË27ÌZ! Í#&u#/012! –ÎÏÐd”ÑS¯°±pÄÃ7Ò¯! ペンタセン単結晶のバンド分散 多結晶膜を用いたTFT ÓÌ17¯°± Ôd”ÑS¯°±®!"#$%&7°ÕÖ±×ØÙÚ! """ÛÜÝ2Þߟàá⪫ãä!

1.

背景

2."

ペンタセン結晶ドメイン中のHOMOバン

ド端ゆらぎ

3." GIXD

による基板面内結晶構造解析

4."

_{考察：バンド端ゆらぎの起源、さらには}

微細結晶構造の起源

5."

まとめ

grain size

!

P?@7åæš`

çè7TFTB²SiO

2

éê-7Í#&u#ë#ìíî

-.ïsð! }ñòñë#ìéó! ë#ìô® 100–300 meV ドメイン境界の ポテンシャル# 障壁! õ_ö÷M´ˆµ! _ìø5#456 = l! õ_÷÷÷M‡´! ドメイン中での ホールの移動度

=µ

h _M‰´k_„µ¶! FPP-FETおよび AFMP を用いた研究より +,ìø5#! +,ìø5#!

[1] R. Matsubara et al., Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 242108.

ùúùúÈƳûÅÝü2ý!

0Ì¥¾ý!

+,þ! 500nm TFT3lmnopqr>stuvwxHyz{V&|}.~o•€•‚ƒ„tgw… Z†‡ˆ‰ op‰JŠ‹Œ•Žt••‘Q! 500nm

ÿ!"#$ý

N. Ohashi et. al., Appl. Phys. Lett., 91 (2007) 162105.

’!

! "(x) = qNVexp # Ef# Ev(x) kT $ % & ' ( ) µH

}ñòñë#ìéó7%&ü'(!

EV(x) Ef: Fermi level, Nv: effective DOS,

Ev: top of the HOMO band

peak-to-peak: 30 meV

HOMO“|{

N. Ohashi et. al., Appl. Phys. Lett., 91 (2007) 162105.

!

ln 1 "dV dx

(

(

)

)

# k

B

T = $E

v

(x) + const.

バンド端ゆらぎ

1.

背景

2."

_{ペンタセン結晶ドメイン中のHOMOバン}

ド端ゆらぎ

3." GIXD

による基板面内結晶構造解析

4."

考察：バンド端ゆらぎの起源、さらには

微細結晶構造の起源

5."

まとめ

)‡‹‚*•‡ˆM+),-

による結晶構造解析の目的

① 基板表面の凹凸などによる、  単一結晶ドメイン内の#  不均一歪み ② 結晶ドメイン内における、  さらに小さな結晶構成単位  （モザイク結晶） 微小角入射面内X線回折(in-plane GIXD) の回折ピーク幅より、 基板面内方向の結晶子サイズなどを求め、ゆらぎの起源を考察する。 結晶ドメイン 結晶子

バンド端ゆらぎの起源となる結晶構造には二種類の候補がある

微小角入射面内,線回折•.‡‹‚*•‡ˆM+),-‘

in-plane GIXDの概要 全反射臨界角以下の角度で入射し、回折が非常に薄い膜（10~20 nm） で起こるため、平行度が高く、強度が強いX線が必要 SPring-8_{の放射光を利用}

SPring-8, BL-46XU

実験方法

電気測定を行った試料と同じ方法で作製

 (1) n+_{-Siに熱酸化膜形成(300 nm)!}  (2) 有機洗浄およびUV/O３処理 (SAMなし)!  (3) 分子線蒸着法でペンタセンを蒸着#   成長条件#    ・ 真空度：5$10%8 Pa #    ・ 成長速度：0.3 nm/min #    ・ 成長温度：5、20、40、60、80、100& #      (平均結晶ドメインサイズ：200 nm∼2.5 Rm) #    ・ 平均膜厚：50 nm! 測定用試料構造 ・X線源・・・Spring-8、BL-46XU（波長1 Å）        HUBER社製ゴニオメータ       （分解能を高めるためにLiFアナライザ        結晶を使用） ・測定環境・・・室温、He雰囲気 ・X線入射角・・・0.12°（全反射条件より）!

試料作製方法

in-plane GIXD

測定

5°C (5$5 mm2_{)! 20°C (5$5 mm}2_{)! 40°C (5$5 mm}2_)! 60°C (5$5 mm2_{)! 80°C (10$10 mm}2_{)! 100°C (20$20 mm}2_)! 結晶粒径として・・・! ドメインサイズ (グレインサイズの2分の1) ＝ 200 nm∼2.5 mm"

ペンタセンの+),-パターン

[1] T. Kakudate and N. Yoshimoto, Appl. Phys. Lett. 90, 081903 (2007).! [2] S. E. Fritz et al., J. Am. Chem. Soc. 126, 4084 (2004).!

◇ (110)、(200)面については単一の  ピークでフィッティング ◇ (020)、(120)面については二つの  ピークでフィッティング  →バルク相のピークが見えている？  →主成分の薄膜相のピークを解析 ◇ 薄膜相を示す4つのピークを確認[1, 2]! ◇ 全てのピーク半値幅は装置分解能#  (FWHM0.0380°)より大きい  →結晶構造の解析可能

結晶子サイズの解析方法

有限の大きさを持つ結晶子、結晶の不均一歪み

D

K

S

sin

2

cos

+

=

!

"

#

!

"

$

b：ピーク半値全幅 l：X線波長（1 '） h：不均一歪み D：結晶子サイズ KS：Scherrer定数（0.97を使用） 傾きから不均一歪み! 切片から結晶子サイズD }•**7À/000+,3¤12E3ÓÚ45¥Ç'(À/! ピークの半値幅は何で決まるか？（装置関数除く） b cosq/l−2sinq/lプロット

}•**の方法によるペンタセン+),-パターンの解析

右上がりではなくほぼ水平 ピークの半値幅は専ら結晶子サイ ズによって決まっている！ 本研究におけるペンタセンGIXDパターンの Hallプロット {ただし(110)面は省略}

!

結晶の不均一歪みの影響は

無視してよく、HOMOバンド

端ゆらぎの原因ではない！

D

K

S

sin

2

cos

+

=

!

"

#

!

"

$

不均一歪み! 結晶子サイズ!

結晶子サイズの算出結果

Scherrerの式を用いて結晶子サイズを算出

!

"

#

cos

S

K

D =

・結晶子サイズは成長温度に#  よらずほぼ一定(25-50 nm) ・結晶ドメインサイズよりも  一桁以上小さい ・(110)面のピークから求まる 結晶子だけおよそ2倍大きい  (格子の対角線方向だけ   大きくなるとは考えづらい

なぜか？

結晶ドメイン 結晶子

摩擦力顕微鏡による格子像観察!

平坦な分子テラス上 で結晶子境界を観察! 単位格子! ö÷6ö÷M‡´k_M7789 :/;Ÿ<¤úr=7> ?¼ìø5#³$&Æ Ç¿!

1.

背景

2."

ペンタセン結晶ドメイン中のHOMOバン

ド端ゆらぎ

3." GIXD

による基板面内結晶構造解析

4."

_{考察：バンド端ゆらぎの起源、さらには}

微細結晶構造の起源

5."

まとめ

ë#ìó%&ü7@A¤+,34567BC!

+,3456` kö‹ö÷M‡´! HOMO band

バンド端ゆらぎプロファイル

のフーリエ変換結果

?

r÷‹D÷M‡´に!

ゆらぎの基本周期!

結晶子サイズと一致する！!

・境界分子への応力! ・フォノンの定在波! E.ñkMFsGH7"5#jXcI5g! SiO2表面形状 ラインプロファイル のフーリエ変換 （平均） E.ñkMFs7JKGH®r÷‹ö÷M‡´/<žŸ LôÚM="0"+,3456/EN! 結晶子サイズは基板表面の凹凸によって 決定されている可能性が高い。 30-50 nm 200 nm

もう一つの疑問：結晶子サイズはなぜ成長条件によらず一定？!

O¤P`çè7TFTB-7Í#&u#ë#ìíî

+,íî! }ñòñë#ì íî! ÓÌ17d”ÑS¯°±`! ドメイン境界の ポテンシャル# 障壁! <150 meV! ìø5#456 = l! <1000 nm! ! µ = ql 2kBT µh qNA"b 2#s exp $q"b kBT % & ' ( ) * ë#ìó%&ü" !Ev!

low µ

h 14 meVrms" 25-50 nm" バンド端ゆらぎによっ て一桁程度低下

まとめ

SiO2上に成長したペンタセン多結晶薄膜の、結晶ドメイン内におけるHOMO バンド端ゆらぎの起源を明らかにするため、in-plane GIXDによって 面内方向の結晶子サイズを評価した。 ・強度、平行度の高い放射光を用い、アナライザ結晶によって分解能を  高めることで、数十nmの結晶子サイズを見積もることに成功した。  （有機材料の面内方向の結晶子サイズとしては初の測定例らしい）#  これほど研究されているペンタセンでも初 ・Hallの方法による解析から、不均一歪みは半値幅に影響を与えていない  ことが明らかになった。 ・Scherrerの式から求めた結晶子サイズは成長条件によらずほぼ一定で、  25∼50 nmと見積もられた。 ・HOMOバンド端ゆらぎの周期（30∼40 nm）は結晶子サイズと  良い一致を示すことから、ゆらぎが結晶子境界によって生じている#  可能性が高いことを明らかにした。 謝辞 千葉大学グローバルCOEプログラム：「有機エレクトロニクス高度化スクール」