米乐m6官方网站（AIST）纳米材料研究部粘合界面组Yukinori Akaike、材料测量标准研究部首席研究员、纳米材料结构分析研究组Takuya Hosogai和筑波大学数学与材料系Yoichi Yamada副教授研究了植物产生的咖啡酸薄膜层有机半导体器件在电极表面，可以提高电极向有机半导体注入电荷的效率，增加流过器件的电流。
咖啡酸是咖啡中含有的一种成分，研究小组认为，由于其分子结构，它具有吸附金属电极，改变电极表面电位，使电流更容易流动的特性。事实上，当电极表面形成咖啡酸薄膜层时，咖啡酸分子在电极表面自发地沿同一方向排列，流过有机半导体器件（单层）的电流与没有咖啡酸的情况相比增加了100倍。人们认为咖啡酸的独特取向有利于电荷注入有机半导体。从植物中获得的咖啡酸可以像传统材料一样提高电极的性能，这一发现是朝着实现使用生物质衍生材料构建有机半导体器件迈出的一步。
该技术的详细信息将于 2022 年 12 月 2 日（德国时间）公布。先进材料接口发布
有机发光二极管 (OLED) 和有机光伏电池 (OPV) 等有机半导体器件具有柔性、轻质且可以低成本生产的特点，因此可用于柔性显示器、各种传感器和 IC 标签等物联网设备，并有望应用于这些设备内置的无需更换的电源。另一方面，随着有机半导体器件变得更加普及，废物量预计会增加。为了减少废弃有机半导体器件处理后对环境的影响，最近有报道称，开发了可在温和条件下分解的有机半导体，并研究了使用生物质衍生材料的器件基板。
与这些努力相结合，需要开发提高不同材料之间界面处的电荷注入（转移）效率的技术，这对于提高有机半导体器件的性能非常重要，特别是在有机半导体和电极之间的接合界面（以下称为有机半导体/电极界面）处。目前，导电聚合物和过渡金属氧化物的薄膜层被称为促进电荷流动的电极修饰层。然而，当有机半导体器件在垃圾填埋场处置时，这些材料可能会对水生生物产生负面影响。此外，由于它含有储量有限的金属元素，因此对其使用也存在担忧（图1）。因此，需要寻找可应用于电极修饰层并且通过提高有机半导体/电极界面处的电荷转移效率而具有低环境影响的材料。
AIST 旨在通过减少废弃有机半导体器件处理后对环境的影响来提高有机半导体器件的可持续性循环型社会这次，我们将展示对金属的吸附特性儿茶酚组有苯丙素组的分子开发了一种电极修饰技术。
此项研发得到了新能源产业技术综合开发机构 (NEDO) 委托的 2022 年“能源与环境新技术领先研究计划”的支持。
许多有机半导体器件是通过在电极基板上堆叠有机分子层和电极制成的（图1）。为了增加流过器件的电流，提高从电极到有机半导体的电荷注入效率非常重要。电荷注入的效率指数为工作功能大永久偶极子当电极表面被具有矩的分子（电极修饰层）修饰时，电极表面的电位发生变化，功函数发生变化。通过提高电极的功函数，电极的费米能级（发送电荷的能级）接近有机半导体的HOMO（接收电荷的能级），促进电荷从电极注入有机半导体（图2）。结果，电流在有机半导体/电极界面处更容易流动。因此，为了提高电荷注入的效率，我们创造了一个大的永久偶极矩。
图 1 有机半导体器件电极修饰层中使用的传统材料和咖啡酸的问题，这是本研究的重点。还显示了咖啡酸的分子结构和电荷密度分布。它在箭头方向上具有永久偶极矩。电荷密度分布代表分子上电荷的偏压，较大的负电荷以红色显示，较大的正电荷以蓝色显示。
图2 由于插入电极修饰层而导致有机半导体/电极界面处能量图的变化（左：无电极修饰层，右：有电极修饰层）。
HOMO 是接受正电荷的有机半导体的能级。
苯丙素是一种具有去除活性氧功能（抗氧化作用）的物质，普遍存在于植物中。一些苯丙素是 4设备图1显示了咖啡酸的分子结构和电荷密度分布，这是一个例子。咖啡酸具有羧基（-COOH）和儿茶酚基团与亚乙烯基（-CH=CH-）键合的结构，并且沿着图1中蓝色箭头的方向具有永久偶极矩。
专注于这种咖啡酸，真空沉积金电极上形成咖啡酸薄膜层。方法。开尔文探针法的功函数，我们发现电极的功函数与涂覆咖啡酸之前相比增加了约05 eV（图3（a））。电极类型有银、铜、铁、氧化铟锡 (ITO)，具有自然氧化膜的硅（SiOx)，由于咖啡酸的作用，功函数增加。另外，旋涂形成薄膜层也证实了类似的效果。换句话说，咖啡酸薄膜层被发现具有多功能电极修饰层的功能。红外反射吸收光谱研究分子取向时，咖啡酸分子的取向是长轴倾斜，如图3(b)所示。据认为，由于倾斜分子排列其永久偶极矩并形成薄膜，电极表面上的电势发生变化并且功函数增加。还发现这是因为容易与固体表面结合的儿茶酚基团优先吸附到电极表面。
图3(a)当咖啡酸真空沉积在各种电极上时功函数相对于膜厚度的变化。 (b) 从红外反射/吸收光谱预测的分子取向。
图中蓝色箭头为永久偶极矩的方向。
此外，我们发现咖啡酸薄膜层不溶于用于制造涂覆有机半导体薄膜的有机溶剂，例如氯仿和氯苯。基于上述结果，我们通过将溶解在氯苯中的称为聚（3-己基噻吩）（P3HT）的有机半导体旋涂到涂有咖啡酸的ITO基板上，制作了使用铝作为上电极的有机半导体器件（图4（a））。结果表明，通过插入咖啡酸层，流过有机半导体器件的电流比未插入咖啡酸时增加了100倍，显着提高了有机半导体器件的性能（图4（b））。
所开发的电极修饰技术无论何种类型的基板都可以使用，因此可以应用于所有有机半导体器件的电极。即使使用植物中普遍存在的分子，也可以像传统材料一样控制界面以提高有机半导体的性能。
图 4 (a) 本研究中制造的 P3HT 器件的结构。 (b)由于插入咖啡酸层而引起的电流密度-电压特性的变化。
我们将探索材料并开发控制功函数的工艺，并旨在将本研究中提出的电极修饰技术应用于支持物联网社会的有机半导体器件。为了最大限度地减少废旧设备处理后对环境的影响，我们正在努力创造与循环型社会兼容的全生物质设备。
已出版的杂志：先进材料接口
论文标题：使用天然分子提高电极功函数
作者：Kouki Akaike、Takuya Hosokai、Yutaro Ono、Ryohei Tsuruta 和 Yoichi Yamada