[論文レビュー] Spectral distribution and density of X-ray induced trap states in the organic semiconductor Rubrene

T. Morf, S. Haas+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2013

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、代表的な有機半導体であるルブレネにおけるX線誘発トラップ状態を定量的に評価し、1つの8 keV光子が価電子帯上に約0.3 eVの位置に約100個のトラップを生成することを明らかにした。これは1 MeVプロトンと比較して2〜3桁も多量である。熱アニール処理によりこれらのトラップが減少することから、ヴァンデルワールス結合による有機半導体におけるトラップの普遍的起源は局所的な構造的不規則性であると示唆される。

ABSTRACT

In controlled X-ray irradiation experiments, the formation of trap states in the prototypical van der Waals bonded semiconductor Rubrene is studied quantitatively for doses up to 82 Gy (Gy = J/kg). About 100 electronic trap states, located around 0.3 eV above the valence band, are created by each absorbed 8 keV photon which is 2-3 orders of magnitude more than 1 MeV protons produce. Thermal annealing is shown to reduce these traps. Local structural disorder, which has also been induced by other means in different studies, is thus identified as a common origin of trap states in van der Waals bonded molecular organic semiconductors.

研究の動機と目的

• 制御されたX線照射下におけるルブレネに生成されるトラップ状態のスペクトル的分布および密度を理解すること。
• 8 keVのX線光子1個あたりに吸収されたエネルギーによって生成されるトラップ状態の数を定量すること。
• 有機半導体における8 keV X線と1 MeVプロトンのトラップ形成効率を比較すること。
• 熱アニール処理がX線誘発トラップ状態に与える影響を調査すること。
• ヴァンデルワールス結合型有機半導体におけるトラップ状態の物理的起源を特定すること。

提案手法

• 最大82 Gyの線量までに制御されたX線照射をルブレネ薄膜に対して実施した。
• 温度依存電流-電圧スペクトロスコピーを用いてトラップ状態のスペクトル的分布および密度を測定した。
• X線線量と光子エネルギーを基準にトラップ数を正規化することで、吸収された光子1個あたりのトラップ密度を計算した。
• 照射済み試料に対して熱アニール処理を施し、トラップの回復および安定性を評価した。
• 先行研究における類似有機半導体の結果を参照しながら、トラップ形成と構造的不規則性の相関を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 8 keV X線光子1個あたり、ルブレネにどの程度のトラップ状態が生成されるか？
• RQ2 照射されたルブレネにおけるトラップ状態は、価電子帯最大値に対してどのようにスペクトル的に分布しているか？
• RQ3 同じ材料において、8 keV X線によるトラップ密度は1 MeVプロトンによるものと比べてどの程度か？
• RQ4 熱アニール処理によって、ルブレネにおけるX線誘発トラップ状態はどの程度減少するか？
• RQ5 ヴァンデルワールス結合型有機半導体におけるトラップ状態の共通した物理的起源は何か？

主な発見

• 吸収された1つの8 keV X線光子が、ルブレネに約100個の電子的トラップ状態を生成する。
• トラップ状態は主に価電子帯最大値から約0.3 eV上に位置している。
• 8 keV X線のトラップ形成効率は、1 MeVプロトンのそれよりも2〜3桁も高い。
• 熱アニール処理により、X線誘発トラップ状態の密度が著しく減少することが確認された。
• 局所的な構造的不規則性が、ヴァンデルワールス結合型有機半導体におけるトラップ状態の共通した起源であると特定され、他の研究の結果とも整合的である。