米乐(中国)官方网站 从微晶样品的太赫兹光谱评估物质特定的载流子迁移率

自从使用称为红荧烯的有机分子晶体创建高性能单晶场效应晶体管 (FET) 以来，高迁移率有机半导体的开发一直在取得进展。载流子迁移率是有机半导体性能的指标，通常使用有机半导体的单晶样品来测量。FET 传输特性（注 4）然而，这种传输特性很大程度上取决于 FET 的质量，尤其是有机半导体晶体的表面状况。因此，为了准确估计该材料的比迁移率，有必要制造极其高质量的单晶FET。然而，新合成的有机半导体通常以粉末微晶的形式获得。此外，即使获得微晶，通常也难以生产适合单晶FET的大单晶。因此，如果可以在微晶状态下评估迁移率，则认为可以加速对高迁移率有机半导体的探索。

东京大学前沿科学研究生院（及米乐m6官方网站）Hiroshi Okamoto 教授AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室（注 5）9018_9425₁₀-DNTT (2,9-二癸基-二萘并[2,3-b:2',3'-f]噻吩诺[3,2-b]噻吩）的微晶样品并证实了其有效性。未来，预计该方法将有效地用于预测无法获得高质量单晶FET的有机半导体特有的迁移率。

该研究成果于2019年9月30日发表在《美国应用物理学会杂志》上。应用物理快报发布

①研究背景/前期研究中存在的问题

近年来，高迁移率有机半导体得到了积极的开发。有机半导体的迁移率通常通过使用单晶的 FET 的传输特性来评估，但新合成的样品通常是粉末状微晶。由于使用微晶薄膜的 FET 的传输特性受到晶界散射的影响，因此估计的迁移率值明显小于单晶 FET 的迁移率值。如果我们能够使用微晶样品评估材料的固有迁移率，我们相信我们可以加速寻找高迁移率有机半导体材料。

②研究内容

为了评估微晶样品材料的固有迁移率，该研究小组重点研究了太赫兹区域的光导谱，它反映了光载流子的迁移率。具体来说，通过将光泵太赫兹探针光谱（图1（b））应用于红荧烯微晶样品（图1（a））（高迁移率有机半导体的原型），我们测量了源自光载流子（空穴，正载流子）的光学电导率光谱。在单晶样品的情况下，获得了自由移动载流子的光谱特征（图1（c）左）。这个Drude 模型（注 6）进行分析时，获得了与根据单晶FET的传输特性评估的迁移率类似的高迁移率值(29cm²/Vs)。另一方面，在微晶样品的情况下，载流子受到晶界散射的影响，因此光谱与单晶样品的光谱有很大不同（图1（c）右）。该光谱包含散射的贡献Drude-Smith 模型（注 6）进行分析，得到高迁移率值（24 cm²/Vs)。此外，为了验证该方法的有效性，我们研究了与红荧烯一起被称为高迁移率有机半导体的C₁₀-DNTT 的微晶样品进行了类似的测量和分析（图 2(a)）（图 2(b)）。结果，迁移率(17cm²/Vs)。此外，通过使用微晶样品的分析结果，不仅可以确定物质的固有迁移率，还可以确定包括晶界散射影响的表观迁移率。后者的值相当于微晶薄膜FET中评价的迁移率。综上所述，我们相信使用这种方法，可以预测在单晶 FET 和微晶薄膜 FET 中测量的迁移率值。

图1 (a) 红荧烯的分子结构。 (b) 光泵-太赫兹探针光谱的概念图。 (c)源自红荧烯中的光载流子的光导率实部的光谱(红色圆圈：可见脉冲光照射后5皮秒的测量值)。左图显示单晶样品的结果，右图显示微晶样品的结果，插图是测量样品的照片。蓝色虚线为分析结果；左图单晶采用Drude模型，右图微晶采用Drude-Smith模型。根据这些分析，可以估计流动性。 （图 1(c) 经 Appl Phys Lett (2019) doi: 101063/15118262 许可复制。版权所有 2019 AIP Publishing LLC。）

图 2 (a)C10-DNTT 的分子结构。 (b)C10-源自 DNTT 微晶中光载流子的光导谱（可见脉冲光照射 10 皮秒后的结果）。插图是测量样品的照片。虚线是使用Drude-Smith模型的分析结果，并且根据该分析估计迁移率。 （图 2(b) 经 Appl Phys Lett (2019) doi: 101063/15118262 许可复制。版权所有 2019 AIP Publishing LLC。）

③社会意义/未来计划

未来，我们计划将该方法应用于有机半导体的各种微晶样品，并用它来寻找高迁移率的有机半导体。该方法也有望适用于评估有机半导体以外的样品的迁移率。

Tatsuya Miyamoto（东京大学前沿科学研究生院材料科学系助理教授/东京大学产业技术综合研究所先进操作测量技术开放创新实验室客座研究员）
Noriaki Takita（东京大学前沿科学研究生院材料科学系副教授/东京大学产业技术综合研究所先进操作数测量技术开放创新实验室客座研究员）
Takafumi Uemura（东京大学前沿科学研究生院材料科学系项目讲师（现任大阪大学工业科学研究所项目副教授））
渡边俊一郎（东京大学前沿科学研究生院材料科学系特聘副教授/东京大学产业技术综合研究所先进操作数测量技术开放创新实验室客座研究员）
Toshihiro Okamoto（东京大学前沿科学研究生院材料科学系副教授/东京大学产业技术综合研究所先进操作测量技术开放创新实验室客座研究员）
竹谷淳一（东京大学研究生院前沿科学研究生院材料科学系教授/东京大学材料创新研究中心（MIRC）/米乐m6官方网站特聘教授）边缘操作数测量技术开放创新实验室客座研究员/国立材料科学研究所国际纳米结构中心（WPI-MANA）MANA首席研究员（交叉任命））
Hiroshi Okamoto（东京大学前沿科学研究生院材料科学系教授/东京大学产业技术综合研究所先进运算测量技术开放创新实验室实验室团队负责人）

杂志名称：“应用物理快报” （日期为 2019 年 9 月 30 日）
论文标题：根据有机分子半导体微晶样品的瞬态太赫兹电导率谱评估本征迁移率
作者：H Yada、H Sekine、T Miyamoto、T Terashige、R Uchida、T Otaki、F Maruike、N Kida、T Uemura、S Watanabe、T Okamoto、J Takeya 和 H Okamoto
DOI 号：101063/15118262

（注1）飞秒泵浦探针光谱

泵浦探针光谱是一种通过检测响应较弱探针光的光学常数的变化来检测物质在强泵浦光照射下状态变化的方法。通过控制泵浦光和探测光到达物质的时间差，可以以高时间分辨率测量物质状态的变化。通常为几十飞秒到几百飞秒（1飞秒 = 10^-15秒)的飞秒脉冲。在这项研究中，通过可见光范围内的飞秒脉冲光照射产生光载流子，并使用太赫兹范围内的电磁波脉冲（太赫兹脉冲）作为探针来检测响应。通过使用太赫兹脉冲作为探针，可以测量光导率实部和虚部的变化。[返回参考源]

(注2)光导谱

表示电磁波照射时电流流动难易程度的量。光导率是电导率的延伸，它表示当施加静电场时电流在电磁波的频域中流动的难易程度。实部可以被认为是表示电磁波吸收大小的量。源自载流子的光导率在太赫兹区域表现出光谱，其形状取决于传导机制。[返回来源]

（注3）载体移动性

表示固体中载流子（普通半导体中的电子或空穴）移动难易程度的量。它是半导体及其电子设备性能的指标。[返回来源]

(注4) FET 的传输特性

在 FET 中，源极和漏极之间流动的电流相对于栅极电压的特性。斜率与迁移率成比例增加。[返回来源]

（注5）AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室

AIST 和东京大学于 2016 年 6 月 1 日在东京大学柏校区建立的研究中心。我们通过结合彼此的种子技术，加强以“桥接”为目的的基础研究，构建产学官网络，开展利用尖端操作测量技术的生物功能材料、新材料、创新装置等的产业化和实际应用的研发。[返回来源]

（注6）Drude模型和Drude-Smith模型

Drude 模型是表达自由载流子响应电场行为的模型。 Drude-Smith 模型是结合了外部后向散射对 Drude 模型的贡献的模型。后向散射的贡献越大，表观迁移率越小。[返回来源]