千葉大、量子サイズ効果を利用し有機分子と金属電極を繋ぐ"踏み台"を発見

千葉大学は12月12日、金属電極の厚みを1nm程度まで薄くした時に起こる量子サイズ効果を利用することで、有機分子と電極との間で電子をやりとりする際の"踏み台"になる電子準位のエネルギーを上下できることを発見したと発表した。

同成果は、同大大学院 融合科学研究科の中山泰生助教らによるもの。台湾国立清華大学 台湾国立シンクロトロン光研究センターの唐述中准教授らと共同で行われた。詳細は、英科学誌「Nature Communications」に掲載された。

有機ELディスプレイが多くのスマートフォンに採用されるなど、有機エレクトロニクスは現代社会に浸透しつつある。一方で、軽さ・柔軟性を活かし、ウェアラブルな電子デバイスや生体親和性の高い医用・バイオセンサなど、新たなエレクトロニクス応用を目指した研究が繰り広げられている。これらの有機デバイスの消費電力や応答速度を改善するためには、金属などでできた電極から有機分子内部へと電子を送り込んだり、逆に引き抜いたりする際の効率を良くすることが重要となる。言い換えると、金属と有機分子との間をスムーズに電子が移動できるように、電子が移動する通り道の段差をなるべく小さくすることは、新たなデバイス開発の鍵になる。

今回の研究で研究グループは、通常の金属電極の代わりに、1nm程度まで薄くした銀の量子井戸を利用し、この銀電極の厚みを変化させることによって、金属と有機分子との相互作用によって発生するギャップ内準位のエネルギーを調整できることを発見した。こうしたギャップ内準位は、金属と分子との間にある段差を電子が乗り越えることを助ける"踏み台"として働くことが知られている。

一般に、銀のような貴金属の内部で、電子は上下左右前後どの方向へも自由に動き回ることができる。こうした自由電子的な状態は、エネルギーに対する電子の占有数の変動が少ない連続的な電子状態をとる。これに対し、厚みを1nm(数原子層)程度に縮めるなどして、ある方向に対して電子の運動の自由度を制限すると、量子力学的な効果により、電子が取り得るエネルギー状態が不連続になる。このように、1方向にのみ電子が閉じ込められた結果発生する離散的な電子準位は、一般に量子井戸状態と呼ばれる。発生した量子井戸準位間のエネルギー間隔は、井戸の幅(金属膜の厚み)が狭まるほど広くなる。

また、今回の研究では、フタロシアニンが使用された。フタロシアニンは有機半導体に分類され、電子が詰まっている状態と空いている状態との間に、電子が存在できないエネルギーギャップが存在する。金属と有機分子が接触すると、両者の相互作用によってエネルギーギャップ内に新しい電子準位が生じることがあり、ギャップ内準位と呼ばれている。元々は電子が存在しないエネルギー領域に発生するこうした準位は、金属から分子へと電荷を移動する際の中間地点になる場合があり、エネルギーの障壁を実質的に低減する効果がある。

今回の結果は、電極や有機分子の種類を変えなくても、単にナノメートルスケールの電極の厚みを伸縮させるだけでこの"踏み台"の高さを調節できることを意味しており、ナノテクノロジーを活用することで、省エネルギーで稀少資源を必要としない次世代ユビキタスデバイスを開発できる可能性を示すものであるとコメントしている。