Charactarization of Organic Devices

有機発光デバイス・色素増感型太陽電池などの有機分子デバイスでは、ナノメートルレベルの薄膜が種々の機能を担っており、ここ数年の間にこれまでにない新しい表面・界面機能とより高度な性能が要求されるようになっています。また、燃料電池・リチウムイオン二次電池などの電池電極材料、電子部品、FPDなどのエレクトロニクス材料分野でも既存の材料をさらに上回る高度な表面・界面機能が要求されています。しかし、このような材料系ではエネルギー粒子の照射により損傷を受けやすく、表面・界面の機能を評価するうえで不可欠な薄膜材料の深さ方向表面分析を行うことが困難な材料が多いため、安定した材料設計の開発に大きな障壁となっていました。　有機系材料に対し低損傷が実証されているGCIBを利用したイオン銃を搭載したXPSおよびTOF-SIMSにより有機分子材料を低損傷で深さ方向分析する技術を実現しました。この表面分析装置を用いた有機分子材料の高機能を有する表面・界面の材料設計が可能となります。

図1~3は、モデル的に作成した有機太陽電池デバイス7)のXPSおよびTOF-SIMSによるデプスプロファイル結果を示しています。

図1は、従来のイオンソースであるArイオン銃を250 Vの加速電圧で深さ方向分析をおこなった結果と、約2500個のArクラスターイオンを5 kVの加速電圧で使用して深さ方向分析をおこなった結果を比較して示しています。従来のイオン銃を低加速電圧で深さ方向分析をおこなっても、化学状態に関する情報はほとんど得られません。界面付近でわずかにスルホン基由来のピークが検出されるだけです。一方、Ar GCIBを用いた深さ方向分析では、酸素量・化学状態の異なる2層が区別されて分析できていることがわかります。

図2は、図1に示したモデル有機太陽電池デバイス試料を加熱処理した後のXPSデプスプロファイルを比較して示しています。GCIBエッチングにより、加熱後に二層の界面が急峻になっていることが明瞭にわかります。

図3は、同じ試料のTOF-SIMSでプルプロファイルを示します。TOF-SIMSにより、質量数900程度の分子イオンの膜中での深さ方向分布が分析出来ていることがわかります。

図1　モデル有機太陽電池試料⁷⁾の Ar および Ar GCIBによるXPSデプスプロファイルの比較

図2　モデル有機太陽電池試料⁷⁾のXPSデプスプロファイル

図3　モデル有機太陽電池試料⁷⁾の負イオンTOF-SIMSデプスプロファイル