群馬大ら,OLEDの特性に直結する分子配向を制御

群馬大学と千葉大学は,有機分子を真空蒸着する際にあえて蒸着を一時停止して待ち時間を導入し,その時間に分子の配向が変化していく様子を調べることで,有機EL素子(OLED)の特性に直結する分子配向を任意に制御する新手法を開発した(ニュースリリース)。

有機EL素子関連分子は非対称な構造から生じる永久双極子モーメントを持ち,真空蒸着時にはしばしば自発的な配向が生じる。この現象を自発的配向分極(SOP)と呼び,これがデバイス内に電荷を誘起し,キャリア注入や蓄積に影響を与えることが知られている。しかし,SOP のメカニズムは未だに完全に理解されておらず,その極性も対称的でないことが制御の課題となっている。

研究グループは,任意の配向制御を実現するために中間的な緩和時間(約100秒)を利用する手法を提案した。さらに,そのような分子の配向のランダム化を観測するために,この研究では真空蒸着中のサンプルの表面電位をリアルタイムで計測可能にする新たなケルビンプローブ装置—回転型ケルビンプローブ装置—を開発した。

Alq3分子やTPBi分子の薄膜の測定結果より,蒸着をシャッターで遮って蒸着を一時停止した直後から,表面層の配向が数十秒かけてランダム化している直接的な証拠を掴んだ。さらに,この時間を調整することで,薄膜の分極の大きさを制御することに成功した。

この方法を研究グループは間欠蒸着法と呼ぶことにした。Alq3膜では分極の向きを切り替えることにも成功し,Alq3単一の薄膜内にV字型のポテンシャルプロファイルを形成できることを実証した。この結果は,同一の物質でできた層であるにもかかわらず,あたかも異なる材料を貼り合わせたかのような特性を持たせられることを示している。

さらに今回の研究成果は,V字だけでなく,より複雑なポテンシャルプロファイルを任意に形成するための基礎技術となり,新しい電気的特性を持つデバイスの構築につながる可能性があるという。

また,より根源的ななぜ真空蒸着するだけで分子が勝手に配向するのかという問いに対しても,回転型ケルビンプローブ装置を用いて有機アモルファス膜の表面でランダム化する過程をより詳しく調べることで,その詳細なメカニズムの解明に近づくことができると考えられる。

研究グループは,この研究の成果を基に,まず有機層内に任意のポテンシャルプロファイルを内蔵することで,効率的な光の発光やキャリア注入の制御が可能なデバイスの設計が可能になることから,有機EL素子の効率や寿命の一層の向上が期待されるとしている。

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