Electronic States of Organic Semiconductors and Their Interfaces: Unraveling Electrical Conduction

Abstract

This article describes recent progress in organic semiconductor research with ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS). Origins of the energy level alignment at organic-conductor/dielectrics interfaces and the charge mobility in organic semiconductor systems are the most important subjects to be elucidated. Direct experimental detection of very low electronic density-of-states in the band gap is necessary to unravel mysteries of the energy level alignment. Experimental measurements of the energy band dispersion give information about the intermolecular interaction and the effective mass of transporting hole, and experimental detection of the highest occupied molecular orbital (HOMO) hole-molecular vibration coupling is indispensable to comprehend impacts of the coupling on the hole transport. In this article, we summarize our recent challenges on UPS measurements of organic semiconductors, which give the band dispersion of the HOMO, the HOMO hole-vibration coupling and the band-gap states appearing near the interface. KEYWORDS : organic semiconductor, organic interface, energy band, electron-phonon coupling, UPS 1．は じ め に およそ 60 年前に始まった有機半導体の研究は 1) ，省 エネ・地球環境問題と連動した有機デバイスの開発によ って加速され 1990 年代から精力的に行われてきた。し かし多くの研究は現象論的側面が強く，界面電荷注入・ 電荷輸送メカニズムの電子論的解明は今世紀に持ち越さ れた宿題であった。 （ 1 ）電気伝導機構， （ 2 ）界面電子 準位接続・フェルミ準位問題（バンドギャップ中の電子 状態，トラップ準位） ， （ 3 ）ポーラロン効果，などの役 割とその解明である。最近これらに関する研究が新たな 展開を見せつつある。すなわち，凝集エネルギーの他， バンド幅，電子-振動結合エネルギー，分子ポーラロン エネルギーなど物性を支配する多くの重要な「エネルギ ー」が 0.1 eV（deV）の領域にあることが実験的に測定 されるようになり，室温領域でそれらが競争し相関して 様々な性質を示す「狭いバンド幅の有機材料」に共通す る本質が浮上しつつある。本記事では，エネルギーバン ド，電子/振動結合，界面の問題に関する研究の現状に ついて述べる。 2．背 景 と 課 題 有機デバイス物性と電子状態の研究は互いに十分な連 携があったとは言えない。前者では巨視的な電気的特性 などが現象論的に論じられ，量子化学や固体電子論的な 観点から実験結果が論じられることは希であった。後者 は電子分光法によって研究されたが多くは分子軌道法に よるデータ解析が主であり「電気的性質」と直接的には