2014年06月19日08:34
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有机EL技术最近取得迅猛发展，得益于在研究人员对有机半导体材料的认识加深的同时，分析技术的精度大幅提高，模拟技术也取得很大进展。日本京都大学化学研究所分子材料化学研究领域教授梶弘典的研究室正在与九州大学最尖端有机光电子研究中心（OPERA）共同开展热活化延迟荧光（TADF）材料的分析等研究工作。最近的有机半导体材料分析技术都有采用哪些方法？记者就有机材料的研究方向和潜力采访了梶弘典。
京都大学教授梶弘典
——目前在研究有机电子中的哪些领域？
梶：除了包括TADF材料分析等在内的有机EL元件的开发以外，还在开发采用高分子材料的有机薄膜太阳能电池。我们的优势是，无论在哪个领域，我们的研发都覆盖了从材料设计、合成、分析到器件开发这一系列全部过程。以前只是从外面拿来材料进行分析，分析结果很难派上用场，我们也无法深入研究。通过亲自制作器件，可以将分析结果用于接下来的材料设计、合成以及器件开发，进入能提高性能的良性循环。
有机EL目前在实用化方面举步维艰，课题在于价格高，我认为，只要价格降下来就能普及。
初期的有机EL发光材料Alq3的异构体（Meridinal和facial）和多态性（α-、γ-、δ-），以及用固体NMR测量非晶质状态的化学位移（ppm）的结果。（图：梶弘典）
价格和制造成本主要由材料和器件的性能决定。例如，载流子迁移率高的话，就可以增加膜厚等，从而提高成品率。如果能以低电压运行，则意味着可以延长使用寿命。希望能通过我们的方法为有机EL的品质提高做出贡献。
——在有机电子的研究中，其他研究人员也有从材料设计到器件开发开展一条龙研究的。您的研究室有什么独特的研究方法吗？
梶：在我们的研究中，基本没有其他研究人员使用的独特之处大致有两点。一是采用固体核磁共振（NMR）设备进行材料分析，二是开发出了采用电荷运输的量子化学计算方法。
固体NMR装置与研究小组成员（前排右边是梶弘典）。
此前，材料分析的主流是采用质谱分析和红外吸收等的方法。现在，固体NMR成了替代这些方法的新手段。可以说，固体NMR已经在高分子材料分析中普及，而我们研究室的优势是，能用固体NMR来分析器件本身。
固体NMR是一种向材料加载强外部磁场，测量材料中氢离子（H＋）的核自旋共振频率等的方法。电子分布会随着分子结构等改变，因此会形成不同的共振频率（化学位移）。
通过这种测量可以掌握材料的很多性质。比如，是否有双键以及双键的数量、分子配向、侧链的长度等。还能区别相同有机半导体材料的异构体和多态性。例如，像Alq3这样的基本材料也存在多种异构体和多态性，使用的种类不同，HOMO-LUMO能隙（相当于无机半导体带隙的量）等也不同。
另外，有机薄膜太阳能电池常用的n型和p型材料随机混合的体异质结结构也能利用固体NMR在退火前后评测混合方式及域尺寸的变化。通过调查因材料而异的自旋弛豫时间就能掌握这些情况。
而量子化学计算是利用蒙特卡罗方法（一种基于随机数的模拟方法）等调查单个分子的动作和分子间的电荷运输情况。用来计算某个分子接下来容易向周围的哪个分子转移电子的概率。这里不能直接利用晶体的导带技术，因为分子结构以非晶质为前提，分子间距离也比晶体稍大。在日本应该只有我们使用这种计算方法。
——这些方法是否存在课题？其他人很少使用是不是因为存在难点？
梶：固体NMR存在灵敏度的课题。在一般的高分子材料分析中，其他人也使用这种方法，但在器件评估中基本不使用，因为器件中只有微量材料，以固体NMR的灵敏度很难测量到。
我们通过加强磁场并降低噪声等独有手段，设法提高了灵敏度。但也没有解决全部的课题。不足的部分可通过软件上的改进来弥补。
量子化学计算的课题是计算资源不充足。如果是晶体，只需处理少数的原子和分子，然后假设周期性边界条件就可以了，而我们的研究主题是非晶质，需要进行三维计算，而且需要处理的分子数量非常庞大。
——您的研究室最主要的研究主题是什么？为何研究有机电子？
梶：我觉得，通过有机电子的研究探明看上去毫无秩序的非晶质的内部构造，并对其加以控制这一点非常有意思。
我读博士的时候研究的是与电子无关的多孔质玻璃的制作。但我很想做半导体研究，所以旁听了大学的半导体课程。因此做研究助手时，研究的主题就是有机半导体材料分析。我在美国的大学研究室接触了用固体NMR设备进行分析的方法。虽然领域不同，但都是非晶质这一点是相同的。
就像非晶质玻璃比晶体钻石便宜且通用性高一样，在有机半导体中，最终价格降低的也极有可能是非晶质。非晶质常见于自然界和人体中，是物体优美外观及不确定性的基础。
不过，非晶质有机半导体在性能方面存在课题。有机薄膜太阳能电池的体异质结构造在制作时也很难控制，即使制作出高性能元件来，偶然的因素也比较大。
那么，在实际运用中，真空蒸镀法和涂布法有何不同？在非晶质中怎样才能控制其结构？通过尽可能详细地调查这些问题，应该能找到解决课题的方法。（作者：野泽哲生，日经技术在线！供稿）
