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選択成長機構の考察 まとめ

基板表面エネルギーの比較

PMMA成膜基板上の水滴 SiOx基板上の水滴

→PMMA成膜基板とSiOx基板の表面エネルギーの違い

PMMA成膜基板とSiOx基板の「濡れ性」の違い

「濡れ性」悪い 「濡れ性」良い

CuPc蒸着

C60蒸着

PMMA成膜基板上 SiOx基板上

いずれも(2µm × 2µm)

0 13nm 0 9nm

0 20nm 0 27nm

基板温度：170 ℃蒸着時間：2時間

基板温度：100 ℃蒸着時間：1時間

基板表面によるドメイン形状の違い

27p-P3-20 基板表面エネルギー変調による有機半導体薄膜の縞状位置選択成長 埼玉大院理工１，東大院新領域２ 川端ちひろ１，斉木幸一朗２，○上野啓司１

E-mail:kei@chem.saitama-u.ac.jp

位置選択成長による有機面内ヘテロ接合の形成

有機半導体デバイス

不純物ドープ，リソグラフィー法の適用が困難

→「接合」形成は，薄膜積層方向に限られている

有機EL構造

陰極

電子輸送層

陽極

正孔輸送層

発光層

有機太陽電池構造

ITO

Al

p層

n層

i層負荷

有機半導体素子における面内ヘテロ接合の必要性

ソース ドレイン

有機半導体

絶縁体

ゲート

有機FET構造

薄膜成長方向ではなく，面内で接合形成できれば・・・

電荷移動が有利な有機垂直配向薄膜の面内でヘテロ接合

新奇素子作製へ応用

同一基板上への異種有機半導体分子蒸着

基板温度：170 ℃蒸着時間：2時間

CuPc蒸着

C60蒸着

基板温度：100 ℃蒸着時間：0.5時間

CuPcの帯状ドメインの隙間を埋めるようにC60ドメインが形成!

3µm

5.4nm

400nm

0 24nm

0 30nm

PMMA洗浄後ステップバンチSi基板

C60蒸着

基板温度：100 ℃蒸着時間：2.5時間

CuPcのドメイン間隙を埋めるようにC60ドメインが成長

長時間C60を蒸着することにより，面内ヘテロ接合の形成!?

3µm

0 30nm 0 42nm

同一基板上への異種有機半導体分子蒸着ステップバンチSi基板を用いた表面エネルギーの縞状変調

ステップバンチ基板上への縞状変調構造形成

ステップバンチSi基板を作製

PMMA膜を成膜

紫外線照射

PMMAがステップバンチ基板の凹部にのみ残存

ステップバンチ基板

PMMA膜

スピンコート処理

PMMA

SiOx

現像処理

PMMA膜の表面を露光

UV露光PMMAステップバンチSi基板上へのC60蒸着

基板温度：140 ℃→210 ℃蒸着時間:0.5時間→1時間

基板温度：140 ℃→210 ℃蒸着時間:0.5時間→2時間

C60ドメインがステップバンチの凹部に選択的に成長

3µm

3µm

0 28nm

0 48nm

1µm1µm

UV露光PMMAステップバンチSi基板へのCuPc蒸着

基板温度：140 ℃蒸着時間：1時間

基板温度：170 ℃蒸着時間：1時間

基板温度：170℃蒸着時間：2時間

CuPcドメインがステップバンチの凸部（SiOx部分）に選択成長

0 16nm

1µm

0 16nm 0 20nm

Si基板 PMMA薄膜＜断面図＞

＜表面図＞

残存したPMMA

有機薄膜の縞状選択成長と面内ヘテロ接合形成

ステップバンチSi基板の作製 PMMA膜を成膜

C60紫外線露光によりPMMAを位置選択的に除去

CuPc

C60ドメイン

CuPcドメインSiOx

面内へテロ構造の形成！

研究目的

１．[112]方向に微傾斜したSi(111)基板を5 mm×10 mmの大きさに切り出し洗浄

２．真空装置内において650 ℃程度で通電加熱

３．超高真空下(3×10-8 Pa)で基板を1250 ℃まで瞬間的に加熱（フラッシュ）

４．930 ℃で基板をアニール後，一定のレートで基板温度を降下

→Si表面は1×1テラスと等間隔なステップ

→Si表面の再構成→平坦な7×7テラスとバンチしたステップからなる周期構造（ステップバンチ構造）の形成

ステップバンチSi基板の作製方法

微傾斜角度

ステップバンチ

(7 × 7)テラス[112]

[110]

基板温度降下

ステップバンチ構造

8.0nm

400nm400nm1.6nm

3 ℃/分30 ℃/分150 ℃/秒

基板温度の降下速度が速い：ステップバンチは起こりにくい

5.2nm400nm

Si(111)4°off基板をフラッシュ後，異なる速さで基板温度を降下

基板温度の降下速度による形状の違い

1µm

PMMAが縞状に被覆したステップバンチSi表面で，CuPcドメインとC60ドメインを位置選択的に縞状成長させることに成功した。

単一面内での有機薄膜ヘテロ接合形成

PMMA上とSiOx上の表面エネルギーの違い

配向有機薄膜で超格子構造を作製

垂直配向膜の面内でpn接合を形成すれば，電荷がより円滑に移動できる！

より効率の高い有機太陽電池デバイス

<M.Hiramoto et al, Appl.Phys.Lett.2006,88,213105>

p-i-n型：高効率だが，ｉ層内で電荷移動が阻害

超格子型：光照射により生成した正孔・電子がp層，n層内を円滑に移動

面内有機へテロ接合の応用例

Metal electrode

Metal electrode

h＋ h＋e- e-

i層

従来の有機太陽電池構造

超格子構造の有機太陽電池構造

ITO

Al

p層

n層負荷

基板の微傾斜角度による形状の違い

Si(111) 1.5°off Si(111) 7°offSi(111) 4°off

400nm4.5nm

8.0nm 9.4nm

微傾斜角度の大きい基板ほど幅の狭いテラスが形成

微傾斜角度の異なるSi(111)基板を用いてステップバンチ基板を作製

400nm 400nm

1µm

紫外線照射によるPMMAの選択的除去

8.0

400nm

1µm

0 2nm

PMMA成膜基板ステップバンチSi基板

（Si(111) 4°off使用）

スピンコート

重量％濃度：1 %回転数[rpm]：8000回転時間[s]：30

nm

現像処理紫外線照射

紫外線2分間照射

露光時間により表面構造が変化

1µm

7.7nm

400nm

7.8

400nm

紫外線5分間照射紫外線1分間照射

1 µm

nm

5µm

10.1nm

1µm紫外線照射によるPMMAの選択的除去

垂直配向膜

垂直配向膜による

面内ヘテロ接合