2014年06月19日08:34
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有機EL技術最近取得迅猛發展，得益於在研究人員對有機半導體材料的認識加深的同時，分析技術的精度大幅提高，模擬技術也取得很大進展。日本京都大學化學研究所分子材料化學研究領域教授?弘典的研究室正在與九州大學最尖端有機光電子研究中心（OPERA）共同開展熱活化延遲熒光（TADF）材料的分析等研究工作。最近的有機半導體材料分析技術都有採用哪些方法？記者就有機材料的研究方向和潛力採訪了?弘典。
京都大學教授?弘典
——目前在研究有機電子中的哪些領域？
?：除了包括TADF材料分析等在內的有機EL元件的開發以外，還在開發採用高分子材料的有機薄膜太陽能電池。我們的優勢是，無論在哪個領域，我們的研發都覆蓋了從材料設計、合成、分析到器件開發這一系列全部過程。以前只是從外面拿來材料進行分析，分析結果很難派上用場，我們也無法深入研究。通過親自制作器件，可以將分析結果用於接下來的材料設計、合成以及器件開發，進入能提高性能的良性循環。
有機EL目前在實用化方面舉步維艱，課題在於價格高，我認為，隻要價格降下來就能普及。
初期的有機EL發光材料Alq3的異構體（Meridinal和facial）和多態性（α-、γ-、δ-），以及用固體NMR測量非晶質狀態的化學位移（ppm）的結果。（圖：?弘典）
價格和制造成本主要由材料和器件的性能決定。例如，載流子遷移率高的話，就可以增加膜厚等，從而提高成品率。如果能以低電壓運行，則意味著可以延長使用壽命。希望能通過我們的方法為有機EL的品質提高做出貢獻。
——在有機電子的研究中，其他研究人員也有從材料設計到器件開發開展一條龍研究的。您的研究室有什麼獨特的研究方法嗎？
?：在我們的研究中，基本沒有其他研究人員使用的獨特之處大致有兩點。一是採用固體核磁共振（NMR）設備進行材料分析，二是開發出了採用電荷運輸的量子化學計算方法。
固體NMR裝置與研究小組成員（前排右邊是?弘典）。
此前，材料分析的主流是採用質譜分析和紅外吸收等的方法。現在，固體NMR成了替代這些方法的新手段。可以說，固體NMR已經在高分子材料分析中普及，而我們研究室的優勢是，能用固體NMR來分析器件本身。
固體NMR是一種向材料加載強外部磁場，測量材料中氫離子（H＋）的核自旋共振頻率等的方法。電子分布會隨著分子結構等改變，因此會形成不同的共振頻率（化學位移）。
通過這種測量可以掌握材料的很多性質。比如，是否有雙鍵以及雙鍵的數量、分子配向、側鏈的長度等。還能區別相同有機半導體材料的異構體和多態性。例如，像Alq3這樣的基本材料也存在多種異構體和多態性，使用的種類不同，HOMO-LUMO能隙（相當於無機半導體帶隙的量）等也不同。
另外，有機薄膜太陽能電池常用的n型和p型材料隨機混合的體異質結結構也能利用固體NMR在退火前后評測混合方式及域尺寸的變化。通過調查因材料而異的自旋弛豫時間就能掌握這些情況。
而量子化學計算是利用蒙特卡羅方法（一種基於隨機數的模擬方法）等調查單個分子的動作和分子間的電荷運輸情況。用來計算某個分子接下來容易向周圍的哪個分子轉移電子的概率。這裡不能直接利用晶體的導帶技術，因為分子結構以非晶質為前提，分子間距離也比晶體稍大。在日本應該隻有我們使用這種計算方法。
——這些方法是否存在課題？其他人很少使用是不是因為存在難點？
?：固體NMR存在靈敏度的課題。在一般的高分子材料分析中，其他人也使用這種方法，但在器件評估中基本不使用，因為器件中隻有微量材料，以固體NMR的靈敏度很難測量到。
我們通過加強磁場並降低噪聲等獨有手段，設法提高了靈敏度。但也沒有解決全部的課題。不足的部分可通過軟件上的改進來彌補。
量子化學計算的課題是計算資源不充足。如果是晶體，隻需處理少數的原子和分子，然后假設周期性邊界條件就可以了，而我們的研究主題是非晶質，需要進行三維計算，而且需要處理的分子數量非常龐大。
——您的研究室最主要的研究主題是什麼？為何研究有機電子？
?：我覺得，通過有機電子的研究探明看上去毫無秩序的非晶質的內部構造，並對其加以控制這一點非常有意思。
我讀博士的時候研究的是與電子無關的多孔質玻璃的制作。但我很想做半導體研究，所以旁聽了大學的半導體課程。因此做研究助手時，研究的主題就是有機半導體材料分析。我在美國的大學研究室接觸了用固體NMR設備進行分析的方法。雖然領域不同，但都是非晶質這一點是相同的。
就像非晶質玻璃比晶體鑽石便宜且通用性高一樣，在有機半導體中，最終價格降低的也極有可能是非晶質。非晶質常見於自然界和人體中，是物體優美外觀及不確定性的基礎。
不過，非晶質有機半導體在性能方面存在課題。有機薄膜太陽能電池的體異質結構造在制作時也很難控制，即使制作出高性能元件來，偶然的因素也比較大。
那麼，在實際運用中，真空蒸鍍法和涂布法有何不同？在非晶質中怎樣才能控制其結構？通過盡可能詳細地調查這些問題，應該能找到解決課題的方法。（作者：野澤哲生，日經技術在線！供稿）
