１．有機デバイス･有機ＥＬ

Organic devices and OLEDs

有機デバイスとその特長

近年、有機半導体材料を用いたデバイスが多くの注目を集めており、その中でも代表的デバイスとして、有機EL（OLED）、有機トランジスタ、有機薄膜太陽電池が挙げられ、世界中で活発な研究が行われています。有機デバイスの特長としては、低コストな簡易プロセス、フレキシブル性、材料･機能の多様性といったものがよく挙げられますが、ここでは、応用面よりもむしろ有機薄膜の物性の本質に注目して、無機半導体材料とも比較しつつ、その特長を以下に挙げていきたいと思います。
（なお、有機ELの基礎についてはこちらのページがとても良く出来ているので、ご参照ください。）

１．分子の「独立性」
有機分子は、１つ１つが主に共有結合で構成された「分子」として完結している点で、無機半導体材料と大きく異なります。１分子が明確な特性（分子構造･光吸収･発光等々）を有しており、それを調べれば薄膜や結晶にした際の特性もある程度までは予想できます。この分子の「独立性」は、分子内の電子が１分子内に局在化していることを示しており、それが一方では光吸収･発光波長の選択性につながっており、逆にもう一方では電荷輸送特性の低さにもつながっています。固体デバイスにおいては、これら利点･欠点をうまく見極めて使いこなすことが大事かと思います。

２．分子の特性制御
独立な個々の分子の特性は、分子設計により分子内で制御することができます。例えば置換基により発光波長、HOMO/LUMOレベル等を制御し、所望の特性を有する材料を設計することが可能です。このような制御手段は無機半導体材料には無いものであり、有機半導体材料の高い設計自由度を示しています。

３．分子間相互作用
有機分子によって形成された薄膜は、分子内の共有結合以外に、分子間の双極子相互作用、水素結合、ファンデルワールス結合といった弱い相互作用によって固体を形成しています。この多様な相互作用により、さらに上述の分子の「独立性」に摂動を加えることが可能となります。大事なのは、あくまで分子の特性･個性を損なうことなく適切に物性をコントロールできる「摂動」であることだと考えています。共有結合のみで形成される無機半導体の場合は、これらのような概念は無く、集合体としてのバルク結晶の特性がほぼ全てを決めることとなります。分子間相互作用は、多様な分子配向状態･凝集状態を生み出します。本研究室が長らく研究テーマの１つとして掲げている非晶質膜内の分子配向は、まさに分子の個性を活かしつつ物性を向上させるという研究です。

４．光吸収･発光波長の選択性と制御性
有機分子においては、電子が１分子内にほぼ局在化しているため、吸収･発光波長に選択性が出てきます。これは、通常の無機半導体材料には無い大きな特長です（例外：量子ドット）。分子設計によって無機材料よりも高い吸光度、高い発光量子収率を実現することができ、さらにその波長をコントロールすることも可能です。無機材料よりも光学特性に優れた有機材料も多いため、光が関わると、無機半導体に対して自由度が格段に大きくなるものと感じています。

５．高次の機能分離化
有機膜は無機半導体材料のような共有結合を主体とした固体ではなく、弱い相互作用による集合体であるため、様々な方法で成膜することが可能です。主に、真空蒸着、スピンコート、インクジェット等の方法が用いられ、いずれも無機半導体のCVD成膜のような高温を必要としませんし、下層との格子整合といった制限も通常ありません。成膜時にどういった下層基板を用いるかについては、制限はかなり少ないと言えます。そのため、機能が著しく異なる材料の膜を複数積層することでき、厚み方向に高次に機能分離することによって、飛躍的にデバイス特性を向上させることが可能となります。

有機ELは、上に示した有機膜の本質的な特長１，２，４，５を最大限に活用したデバイスとなっています。つまり、適切に特性が設計された材料を用いて、個々の分子の個性を活かし、高次に機能分離した積層構造を構成して、制御された波長の光を高い効率で発光するデバイスです。しかしながら、３の分子間相互作用を活用するという観点では、あまり研究は行われていませんでした。
その理由については、「非晶質膜中の分子配向」にて続けます。

[Update 2010.03.24]

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