JP2010229541A - Molecular control film forming method and application to solar battery, el and optical switch - Google Patents

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徹三 吉村
Dong-Il Kim
東一 金
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a molecular layer deposition (MLD) process having high throughput, and to provide a high-performance solar battery, an electroluminence element and an optical switch. <P>SOLUTION: The molecular region division type MLD which separates and arranges reactive gases into different molecular regions and is performed by replacing a base body or the molecular regions serves as a promising means for solving a problem. Further, the assembling of polymer chains/thin films, of which the molecular array is controlled by means of MLD into the solar battery, electroluminence element and optical switch, serves as a promising means for solving the problem. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

本発明は,複数の反応性分子を順次基体に供給して分子配列制御する工程を含むポリマ鎖/薄膜成長法(MLD:Molecular Layer Deposition)に係り,特に,反応性分子を種類ごとに異なる領域(以下,分子領域とよぶ)に配し,基体および/または分子領域を移動させることにより複数種類の反応性分子を順次基体に供給するポリマ鎖/薄膜成長法,分子領域間にガスを流した領域(以下,ガスカーテンとよぶ)を配するポリマ鎖/薄膜成長法,反応性分子をキャリアガスにより運び,基体に供給するポリマ鎖/薄膜成長法,反応性分子の少なくとも1種類と反応する基を有する分子を基体の少なくとも一部に配置したポリマ鎖/薄膜成長法,および複数種類の反応性分子を順次基体に供給して分子配列制御する工程を含むポリマ鎖/薄膜成長法により作製したポリマ鎖/薄膜を構成要素に含む太陽電池,エレクトロルミネッセンス(EL)素子,光スイッチに関する。  The present invention relates to a polymer chain / thin film growth method (MLD) including a step of sequentially supplying a plurality of reactive molecules to a substrate and controlling the molecular arrangement, and in particular, a region in which reactive molecules are different for each type. (Hereinafter referred to as the molecular region), and moving the substrate and / or molecular region to sequentially supply multiple types of reactive molecules to the substrate, polymer chain / thin film growth method, and flowing gas between the molecular regions Polymer chain / thin film growth method in which a region (hereinafter referred to as gas curtain) is arranged, a polymer chain / thin film growth method in which a reactive molecule is carried by a carrier gas and supplied to a substrate, and a group that reacts with at least one kind of reactive molecule A polymer chain / thin film growth method in which molecules having a molecule are arranged on at least a part of the substrate, and a plurality of types of reactive molecules are sequentially supplied to the substrate to control the molecular arrangement The present invention relates to a solar cell, an electroluminescence (EL) element, and an optical switch, each of which includes a polymer chain / thin film produced by a polymer chain / thin film growth method including the following steps.

図1にMLDの原理を示す(非特許文献1,2,3,特許文献4,5)。以下では,成長基体として板状の基板を用いた場合について述べていく。この例では,4種類の分子(分子A1a,B1b,C1c,D1d)を用いている。各分子は2個以上(本例では2個)の反応基を持ち,同種類の分子は反応せず,異種分子は反応結合するように設定されている。複数種類の反応性分子を順次基板表面に供給することにより,分子配列したポリマ鎖が成長する。3個以上の反応基を持つ分子を導入すると分子ワイアの分岐が可能となる。MLDは,イオン性分子を用いることによっても可能である。この場合,電子供与性分子と電子受容性分子を交互に供給し,分子配列制御成長を行う。従来,MLDを具体化する手法として,真空チャンバ中に基板を置き,その表面に,ガス化した反応性分子を1種類ずつ時系列的にセルから供給することが行われていた(非特許文献1,2,3)。この場合,排気による分子の交換に分単位の時間を要するため,プロセスのスループットが低いという製造上の課題があった。また,高性能化の可能性を持つ分子配列制御されたポリマを構成要素に含む太陽電池,EL素子がなかった。  FIG. 1 shows the principle of MLD (Non-Patent Documents 1, 2, 3, and Patent Documents 4 and 5). In the following, the case where a plate-like substrate is used as the growth substrate will be described. In this example, four types of molecules (molecules A1a, B1b, C1c, D1d) are used. Each molecule has two or more (in this example, two) reactive groups, the same type of molecule does not react, and different types of molecules are set to react and bond. By supplying multiple types of reactive molecules to the surface of the substrate in sequence, polymer chains with molecular arrangements grow. When a molecule having three or more reactive groups is introduced, the molecular wire can be branched. MLD is also possible by using ionic molecules. In this case, an electron donating molecule and an electron accepting molecule are alternately supplied to perform molecular arrangement controlled growth. Conventionally, as a method for embodying MLD, a substrate is placed in a vacuum chamber, and gasified reactive molecules are supplied one by one from the cell in time series on the surface (non-patent document). 1, 2, 3). In this case, since the time required for exchanging molecules by exhaustion takes minutes, there is a manufacturing problem that the process throughput is low. In addition, there was no solar cell or EL element containing a polymer whose molecular arrangement was controlled as a component, which had the potential for high performance.

T.Yoshimura,S.Tatsuura,and W.Sotoyama,“Polymer films formed with monolayer growth steps by molecular layer deposition,”Appl.Phys,Lett.,vol.59,no.4,pp.482−484,1991.  T.A. Yoshimura, S .; Tatsuura, and W.H. Sotoyama, "Polymer films formed with monolayer growth steps by molecular layer deposition," Appl. Phys, Lett. , Vol. 59, no. 4, pp. 482-484, 1991. T.Yoshimura,S.Tatsuura,W.Sotoyama,A.Matsuura,and T.Hayano,“Quantum wire and dot formation by chemical vapor deposition and molecular layer deposition of one−dimensional conjugated polymer,”Appl.Phys.Lett.,vol.60,no.3,pp.268−270,1992.  T.A. Yoshimura, S .; Tatsuura, W. et al. Sotoyama, A .; Matsuura, and T.M. Hayano, “Quantum wire and dot formation by chemical vapor deposition and molecular layer deposition of one-dimensional conjugated polymer,” Appl. Phys. Lett. , Vol. 60, no. 3, pp. 268-270, 1992. T.Yoshimura,S.Ito,T.Nakayama,and K.Matsumoto,“Orientation−controlled molecule−by−molecule polymer wire growth by the carrier−gas−type organic chemical vapor deposition and the molecular layer deposition,”Appl.Phys.Lett.vol.91,pp.033103−1−3,2007.  T.A. Yoshimura, S .; Ito, T .; Nakayama, and K.K. Matsumoto, “Orientation-controlled molecule-by-molecular polymer wire, grow by the carrier-gas-type organic chemical and depletion of the population.” Phys. Lett. vol. 91, pp. 033103-1-3, 2007. T.Yoshimura,E.Yano,S.Tatsuura,and W.Sotoyama,“Organic functional optical thin film,fabrication and use thereof,”US Patent5,444,811,1995.  T.A. Yoshimura, E .; Yano, S .; Tatsuura, and W.H. Sotoyama, “Organic functional optical thin film, fabrication and use thereof,” US Patent 5,444,811, 1995. 吉村徹三,「ポリマ鎖/薄膜成長法」特開2008−216947,2008.  Tetsuzo Yoshimura, “Polymer chain / thin film growth method”, JP 2008-216947, 2008.

発明が解決しようとする課題Problems to be solved by the invention

本発明の目的は,MLDにおいて,プロセスのスループットを向上させること,MLDを利用して分子配列制御されたポリマを備えた高性能太陽電池,EL素子,光スイッチを実現すること,およびこれらの素子の作製にスループットの高いMLDを適用することにある。  An object of the present invention is to improve process throughput in MLD, to realize a high-performance solar cell, an EL element, and an optical switch having a polymer whose molecular arrangement is controlled using MLD, and these elements Is to apply a high-throughput MLD.

課題を解決するための手段Means for solving the problem

本発明の第1の態様に係るポリマ鎖/薄膜成長は,反応性分子を種類ごとに異なる分子領域に配し,基体および/または分子領域を移動させることにより複数種類の反応性分子を順次基体に供給することを特徴とするものである。これにより,ガス交換の排気が不要となり,プロセスのスループットを向上させることができる。  In the polymer chain / thin film growth according to the first aspect of the present invention, reactive molecules are arranged in different molecular regions for each type, and a plurality of types of reactive molecules are sequentially transferred to the substrate by moving the substrate and / or the molecular region. It is characterized by supplying to. This eliminates the need for gas exchange and improves the process throughput.

本発明の第2の態様に係るポリマ鎖/薄膜成長は,分子領域間にガスカーテンを配することを特徴とするものである。これにより,分子領域間のガスの混入を抑制することができる。  The polymer chain / thin film growth according to the second aspect of the present invention is characterized in that a gas curtain is arranged between the molecular regions. Thereby, mixing of the gas between molecular regions can be suppressed.

本発明の第3の態様に係るポリマ鎖/薄膜成長は,反応性分子をキャリアガスにより運び,基体に供給することを特徴とするものである。これにより,分子領域間のガスの混入を抑制することができる。また,副生成物や不純物をキャリアガスによりポリマ鎖/薄膜成長領域から排除することができる。  The polymer chain / thin film growth according to the third aspect of the present invention is characterized in that reactive molecules are carried by a carrier gas and supplied to a substrate. Thereby, mixing of the gas between molecular regions can be suppressed. Further, by-products and impurities can be excluded from the polymer chain / thin film growth region by the carrier gas.

本発明の第4の態様に係るポリマ鎖/薄膜成長は,反応性分子の少なくとも1種類と反応する置換基を有する分子を基体の少なくとも一部に配置したことを特徴とするものである。これにより,ポリマ鎖/薄膜を選択的に基体の必要箇所に成長させることができる。  The polymer chain / thin film growth according to the fourth aspect of the present invention is characterized in that a molecule having a substituent that reacts with at least one kind of reactive molecule is disposed on at least a part of the substrate. As a result, the polymer chain / thin film can be selectively grown on the necessary portion of the substrate.

本発明の第5の態様は,複数種類の反応性分子を順次基体に供給して分子配列制御する工程を含むポリマ鎖/薄膜成長法により作製したポリマ鎖/薄膜を構成要素に含む太陽電池,EL素子,光スイッチである。これによりこれらの素子の高性能化が可能となる。さらに,ポリマ鎖/薄膜成長法として,第1−4の態様に係るポリマ鎖/薄膜成長を適用することを特徴とするものである。これにより,太陽電池,EL素子,光スイッチを高スループットで作製することができる。  According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a solar cell comprising as a component a polymer chain / thin film produced by a polymer chain / thin film growth method including a step of sequentially supplying a plurality of types of reactive molecules to a substrate and controlling the molecular arrangement, EL elements and optical switches. This makes it possible to improve the performance of these elements. Furthermore, the polymer chain / thin film growth method according to the first to fourth aspects is applied as the polymer chain / thin film growth method. Thereby, a solar cell, an EL element, and an optical switch can be manufactured with high throughput.

以下に,本実施の形態を,図面を参照して説明する。各図において,同一の符号をふされたものは同様の要素を示しており,重複した説明は省略される。以下の記載は本発明が適用可能な実施形態を説明するものであって,本発明の範囲がこの記載に限定されるものではない。説明の明確化のため,以下の記載は,適宜,省略および簡略化がなされている。また,当業者であれば,以下の実施形態の各要素を,本発明の範囲において容易に変更,追加,変換することが可能であろう。  The present embodiment will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same reference numerals indicate the same elements, and duplicate descriptions are omitted. The following description explains an embodiment to which the present invention is applicable, and the scope of the present invention is not limited to this description. For clarity of explanation, the following descriptions are omitted and simplified as appropriate. Further, those skilled in the art will be able to easily change, add, and convert each element of the following embodiments within the scope of the present invention.

[第1−3実施形態]
図2は本発明による分子領域分離型MLDの概念図である。2種類の反応性分子A1aおよびB1bを使用した場合の例について述べる。分子Aが存在する分子A領域2aと分子Bが存在する分子B領域2bを配置する。分子Aと分子Bの混合を防ぐために,分子A領域と分子B領域の間にガスカーテンを挿入する。この例では流すガスにNを使用しているのでNカーテン3となる。基板4を移動させると,基板は分子Aと分子Bに順次さらされ,MLDが実行できる。基板を移動させるかわりに分子ガス領域を移動させることによっても同様にMLDが実行できる。
[First to Third Embodiments]
FIG. 2 is a conceptual diagram of a molecular region separation type MLD according to the present invention. An example where two types of reactive molecules A1a and B1b are used will be described. A molecule A region 2a where the molecule A exists and a molecule B region 2b where the molecule B exists are arranged. In order to prevent the mixing of the molecule A and the molecule B, a gas curtain is inserted between the molecule A region and the molecule B region. Because it uses N 2 in gas flow in this example the N 2 curtain 3. When the substrate 4 is moved, the substrate is sequentially exposed to the molecules A and B, and MLD can be performed. The MLD can be similarly performed by moving the molecular gas region instead of moving the substrate.

図3は本発明による分子領域分離型MLDの模式図である。複数種類の反応性分子をセルにロードし(図示せず),それぞれを適切な温度に加熱(または冷却)し,ガス化する。これらのセルにN,Ar,Heなどのガスをキャリアガスとして導入する。反応性分子ガスはキャリアガスにより運ばれ,分子A用ノズル7aおよび分子B用ノズル7bから噴射され,分子A領域および分子B領域をそれぞれ形成する。Nガスを噴射することによりNカーテンを形成する。チャンバ5内の基板4をスピンステージ8により回転させ,MLDを実行する。FIG. 3 is a schematic view of a molecular region separation type MLD according to the present invention. A plurality of types of reactive molecules are loaded into a cell (not shown), and each is heated (or cooled) to an appropriate temperature and gasified. A gas such as N 2 , Ar, or He is introduced into these cells as a carrier gas. The reactive molecular gas is carried by the carrier gas and is ejected from the molecule A nozzle 7a and the molecule B nozzle 7b to form a molecule A region and a molecule B region, respectively. Forming the N 2 curtain by spraying N 2 gas. The substrate 4 in the chamber 5 is rotated by the spin stage 8 to execute MLD.

上記の例において,ノズルの出射端は円形,楕円形,正方形,長方形など各種の形状を取ることができる。出射端をメッシュ状にすることもできる。各分子領域およびガスカーテンに対して複数個のノズルを設置することもできる。また,キャリアガスを用いず,反応性分子を直接導入することも可能である。分子領域を,分子混合が起こらないように配置することにより,ガスカーテンを省略することも可能である。たとえば,ガスを異なる方向に噴射する,噴射位置を互いに遠ざけるなどの方法がある。  In the above example, the emission end of the nozzle can take various shapes such as a circle, an ellipse, a square, and a rectangle. The exit end can also be meshed. Multiple nozzles can also be installed for each molecular region and gas curtain. It is also possible to introduce reactive molecules directly without using a carrier gas. It is also possible to omit the gas curtain by arranging the molecular regions so that no molecular mixing occurs. For example, there are methods such as injecting gas in different directions and keeping the injection positions away from each other.

図4は本発明による分子領域分離型MLDの他の模式図である。この場合は,スピンステージ9の周辺部に多数の基板を配置する。分子A用ノズル,Nカーテンノズル,分子B用ノズルを順に並べ,噴射を行う。これにより,分子A領域,Nカーテン,分子B領域が形成される。スピンステージにより基板を移動させることにより,基板が分子A,分子Bに順次さらされ,MLDが実行される。基板を移動させるかわりにノズルの移動により分子ガス領域・Nカーテンを移動させることによっても同様にMLDが実行できる。FIG. 4 is another schematic view of a molecular region separation type MLD according to the present invention. In this case, a large number of substrates are arranged around the spin stage 9. The nozzle for molecule A, the N 2 curtain nozzle, and the nozzle for molecule B are arranged in order, and spraying is performed. Thereby, the molecule A region, the N 2 curtain, and the molecule B region are formed. By moving the substrate by the spin stage, the substrate is sequentially exposed to the molecule A and the molecule B, and MLD is executed. The MLD can be similarly performed by moving the molecular gas region / N 2 curtain by moving the nozzle instead of moving the substrate.

図5は本発明による分子領域分離型MLDの他の模式図である。図4の例と基本的には同様であるが,4種類の反応性ガスを用いる場合を例示してある。分子A用ノズル,Nカーテンノズル,分子B用ノズル,Nカーテンノズル,分子C用ノズル7c,Nカーテンノズル,分子D用ノズル7d,Nカーテンノズルのようにノズルを並べ,噴射を行う。これにより,分子A領域,Nカーテン,分子B領域,Nカーテン,分子C領域2c,Nカーテン,分子D領域2d,Nカーテンが形成される。ここで,ノズルが部分的に描かれているが,実際にはノズルには図の上方向から,またはステージ中心部の穴を通って下方向から配管が連結されている。余分なガスは,それぞれのノズルに対面させて配置した排気ルートにより排気11される。この場合,それぞれの反応ガス成分が独立に排気されるため,適切なpurificationを行った後,再利用することができる。あるいは,独立な排気をせず,一括排気することも可能である。スピンステージにより基板を移動させることにより,基板が分子A,分子B,分子C,分子Dに順次さらされ,MLDが実行される。基板を移動させるかわりにノズルの回転・移動により分子ガス領域・Nカーテンを移動させることによっても同様にMLDが実行できる。上記の方法で,分子配列A−B−C−D−A−B−C−D−A−B−・・・のようなポリマ鎖が形成できる。FIG. 5 is another schematic view of a molecular region separation type MLD according to the present invention. Although it is basically the same as the example of FIG. 4, the case where four types of reactive gases are used is illustrated. Nozzles are arranged like a nozzle for molecule A, N 2 curtain nozzle, nozzle for molecule B, N 2 curtain nozzle, nozzle for molecule C 7c, N 2 curtain nozzle, nozzle for molecule D 7d, N 2 curtain nozzle, and spraying Do. Thereby, the molecule A region, the N 2 curtain, the molecule B region, the N 2 curtain, the molecule C region 2c, the N 2 curtain, the molecule D region 2d, and the N 2 curtain are formed. Here, although the nozzle is partially drawn, in practice, a pipe is connected to the nozzle from above in the drawing or from below through a hole in the center of the stage. Excess gas is exhausted 11 by an exhaust route arranged facing each nozzle. In this case, since each reaction gas component is exhausted independently, it can be reused after appropriate purification. Alternatively, it is possible to perform collective exhaust without using independent exhaust. By moving the substrate by the spin stage, the substrate is sequentially exposed to molecule A, molecule B, molecule C, and molecule D, and MLD is executed. The MLD can be similarly performed by moving the molecular gas region and the N 2 curtain by rotating and moving the nozzle instead of moving the substrate. By the above method, a polymer chain such as the molecular sequence A-B-C-D-A-B-C-D-A-B-... Can be formed.

各種類の分子ガスの噴射を独立にOn/Off制御することにより,各種配列が実現できる。例えば,A−D−C−B−C−D−A−B−C−D−・・・のような配列をつくる場合は,1回転目は分子A用ノズルと分子D用ノズルをOnに,2回転目は分子C用ノズルをOnに,3回転目は分子B用ノズル,分子C用ノズル,分子D用ノズルをOnに,4回転目は分子A用ノズル,分子B用ノズル,分子C用ノズル,分子D用ノズルをOnにすればよい。  Various arrangements can be realized by controlling On / Off of each type of molecular gas injection independently. For example, when creating an array such as A-D-C-B-C-D-A-B-C-D-..., The first rotation turns the molecule A nozzle and the molecule D nozzle on. In the second rotation, the nozzle for molecule C is turned On, the third rotation is the nozzle for molecule B, the nozzle for molecule C, the nozzle for molecule D is turned on, the fourth rotation is the nozzle for molecule A, the nozzle for molecule B, the molecule The nozzle for C and the nozzle for molecule D may be turned on.

図6は本発明による分子領域分離型MLDの他の模式図である。図5の例と基本的には同様であるが,この場合は,ノズルを,分子A用ノズル,Nカーテンノズル,分子B用ノズル,Nカーテンノズル,分子C用ノズル,Nカーテンノズル,分子D用ノズル,Nカーテンノズルのようにアレイ状に並べて,対応する分子領域とNカーテンを形成し,その中を基板が移動していくという構成である。余分なガスは,それぞれのノズルに対面させて配置した排気ルートにより排気される。この場合,それぞれの反応ガス成分が独立に排気されるため,適切なpurificationを行った後,再利用することができる。あるいは,独立な排気をせず,一括排気をすることも可能である。搬送装置により基板を移動させることにより,基板が分子A,分子B,分子C,分子Dに順次さらされ,MLDが実行される。基板を移動させるかわりにノズルの移動により分子ガス領域・Nカーテンを移動させることによっても同様にMLDが実行できる。ここで,図6では,分子A用ノズル,分子B用ノズル,分子C用ノズル,分子D用ノズルを1つずつ描いたが,さらに多数のノズルを配置することができる。また,一旦分子領域を通過した基板を戻して,繰り返し分子領域を通過させることもできる。これにより,全体のノズル数を減らすことができる。上記の方法で,分子配列A−B−C−D−A−B−C−D−A−B−・・・のようなポリマ鎖が形成できる。また,図5の例と同様に,各種類の分子ガスの噴射を独立にOn/Off制御することにより,各種配列が実現できる。FIG. 6 is another schematic view of a molecular region separation type MLD according to the present invention. Although it is basically the same as the example of FIG. 5, in this case, the nozzles are the molecule A nozzle, the N 2 curtain nozzle, the molecule B nozzle, the N 2 curtain nozzle, the molecule C nozzle, and the N 2 curtain nozzle. , Arranged in an array like a nozzle for molecule D and an N 2 curtain nozzle to form a corresponding molecular region and an N 2 curtain, and the substrate moves through it. Excess gas is exhausted by an exhaust route arranged facing each nozzle. In this case, since each reaction gas component is exhausted independently, it can be reused after appropriate purification. Alternatively, it is possible to perform collective exhaust without performing independent exhaust. By moving the substrate by the transfer device, the substrate is sequentially exposed to molecule A, molecule B, molecule C, and molecule D, and MLD is executed. The MLD can be similarly performed by moving the molecular gas region / N 2 curtain by moving the nozzle instead of moving the substrate. Here, in FIG. 6, the nozzle for molecule A, the nozzle for molecule B, the nozzle for molecule C, and the nozzle for molecule D are drawn one by one, but a larger number of nozzles can be arranged. It is also possible to return the substrate that has once passed through the molecular region and repeatedly pass through the molecular region. Thereby, the total number of nozzles can be reduced. By the above method, a polymer chain such as the molecular sequence A-B-C-D-A-B-C-D-A-B-... Can be formed. Similarly to the example of FIG. 5, various arrangements can be realized by independently controlling On / Off of each type of molecular gas injection.

図7に,使用する反応分子と反応の例を示す。p−phenylenediamine(PPDA)とterephthalaldehyde(TPA)との反応により共役ポリマ鎖であるpoly−azomethine(AM)が成長する。副生成物はHOである。また,oxalic dihydrazide(ODH)とoxalic acid(OA)との反応によりポリマ鎖が成長し,200−300℃の熱処理により共役ポリマであるpoly−oxadiazole(OXD)となる。図8に,MLDによる分子鎖成長の一例を示す。金の膜上にアミノアルカンチオール(11−Amino−1−undecanethiol)のself−assembled monolayer(SAM)を形成する。表面は−NH基で覆われている。この上にTPAを供給すると,−CHO基がSAMの−NH基と結合し表面は−CHO基で覆われる。この上にPPDAを供給すると,−NH基がSAMの−CHO基と結合し表面は−NH基で覆われる。さらに,PPDAの上に−CHO基を2つ持つ分子を供給すると−CHO基が−NH基と結合し表面は−CHO基で覆われる。その上に−NH基を2つ持つ分子を供給すると−NH基が−CHOと結合し表面は−NH基で覆われる。これを繰り返すことにより,分子配列したポリマ鎖が形成される。ここで,PPDAおよびTPAは50−150℃程度に加熱することによりガス化が促進され,分子導入が効率よく実行されようになる。キャリアガスにより副生成物であるHOが成長表面から除去される。FIG. 7 shows an example of reaction molecules and reactions to be used. Poly-azomethine (AM), which is a conjugated polymer chain, grows by the reaction of p-phenylenediamine (PPDA) and terephthalaldehyde (TPA). A by-product is H 2 O. In addition, a polymer chain grows by the reaction of oxalic dihydrazide (ODH) and oxalic acid (OA), and becomes a conjugated polymer poly-oxadiazole (OXD) by heat treatment at 200-300 ° C. FIG. 8 shows an example of molecular chain growth by MLD. A self-assembled monolayer (SAM) of aminoalkanethiol (11-Amino-1-undecanethiol) is formed on the gold film. The surface is covered with —NH 2 groups. When TPA is supplied thereon, the —CHO group is bonded to the —NH 2 group of the SAM, and the surface is covered with the —CHO group. When PPDA is supplied thereon, the —NH 2 group is bonded to the —CHO group of SAM, and the surface is covered with the —NH 2 group. Further, when a molecule having two —CHO groups is supplied on PPDA, the —CHO group is bonded to the —NH 2 group, and the surface is covered with the —CHO group. Supplying molecular group -NH 2 with two thereon -NH 2 group is bound to the surface and -CHO are covered with -NH 2 group. By repeating this, a molecularly arranged polymer chain is formed. Here, PPDA and TPA are heated to about 50 to 150 ° C., whereby gasification is promoted, and molecular introduction is efficiently performed. By-product H 2 O is removed from the growth surface by the carrier gas.

MLDによるポリマ鎖の成長は,必ずしも基板表面に反応基がなくても,基板温度の調整などにより可能となる。Atomic Layer Deposition(ALD)において行われているように,吸着ガス分子を成長コアとしたMLDが可能である。また,MLDの特長として,凹凸表面,細孔,3次元物体などの表面に均一にポリマ成長ができることが挙げられる。したがって,通常の基板以外のさまざまな物体を基体として用いることができる。  Polymer chain growth by MLD can be achieved by adjusting the substrate temperature, etc., even if there is no reactive group on the substrate surface. As is done in Atomic Layer Deposition (ALD), MLD using adsorbed gas molecules as a growth core is possible. Further, as a feature of MLD, it is possible to uniformly grow a polymer on a surface such as an uneven surface, a pore, or a three-dimensional object. Therefore, various objects other than the normal substrate can be used as the substrate.

PPDAとTPAを反応分子として,ガラス基板上に分子領域分離型MLDを行った例を示す。キャリアガスとガスカーテンにはNを用いた。Nカーテンの流量を8NL/min,キャリアガスの流量を1−4NL/minとし,ロータリーポンプによる排気を行いながら,スピンステージにより基板を0.25rpmで回転させた。その結果,poly−AMを成長することができた。1回転あたり,PPDA1分子,TPA1分子の合計2分子ステップの成長が生じる。9回転(18分子ステップ)で成長させたpoly−AM膜と20回転(40分子ステップ)で成長させたpoly−AM膜について光吸収強度を測定した結果,ステップ数にほぼ比例して光吸収強度が増加した。このことは,分子領域分離型MLDが実現されていることを示している。An example in which molecular region separation type MLD is performed on a glass substrate using PPDA and TPA as reaction molecules will be described. N 2 was used for the carrier gas and the gas curtain. The flow rate of the N 2 curtain was 8 NL / min, the flow rate of the carrier gas was 1-4 NL / min, and the substrate was rotated at 0.25 rpm by a spin stage while exhausting with a rotary pump. As a result, poly-AM could be grown. A total of two molecular steps of growth of one PPDA molecule and one TPA molecule occurs per rotation. As a result of measuring the light absorption intensity of the poly-AM film grown at 9 rotations (18 molecular steps) and the poly-AM film grown at 20 rotations (40 molecular steps), the light absorption intensity was almost proportional to the number of steps. increased. This indicates that a molecular region separation type MLD is realized.

[第4実施形態]
図9に,本発明のポリマ鎖/薄膜成長法による3次元的選択配向成長の例を示す。金の表面および/または壁面にSAM24を形成しシードコア22を作製する。金上でSAMを形成したくない場所は,例えば,SiO23などでカバーする。シードコア表面からは上方に,また壁面からは横方向にポリマワイヤ25が成長する。シードコアをあらかじめ設計されたパターンで分布させることにより,所望のポリマワイヤネットワーク26が構築される。シードコアとしては,SAM以外でも,表面の化学修飾ができるものであれば使用可能である。また,下地は,金に限定されることはなく,ガラス,Si,ITO(Indium Tin Oxide),ZnOなど表面に化学修飾できる材料であれば何でも使用できる。
[Fourth Embodiment]
FIG. 9 shows an example of three-dimensional selective orientation growth by the polymer chain / thin film growth method of the present invention. A SAM 24 is formed on the gold surface and / or wall surface to produce a seed core 22. A place where SAM is not desired to be formed on gold is covered with, for example, SiO 2 23. Polymer wires 25 grow upward from the seed core surface and laterally from the wall surface. A desired polymer wire network 26 is constructed by distributing seed cores in a pre-designed pattern. Any seed core other than SAM can be used as long as the surface can be chemically modified. The underlayer is not limited to gold, and any material that can be chemically modified on the surface, such as glass, Si, ITO (Indium Tin Oxide), or ZnO can be used.

[第5実施形態]
図10に,本発明による太陽電池,EL素子,光スイッチを示した。量子ドット31をもつポリマワイヤおよび/または量子ワイヤ構造を持つポリマワイヤを用いる。太陽電池の場合は,例えば,n型半導体32の薄膜,p型半導体33の薄膜の間に量子ドットをもつポリマワイヤおよび/または量子ワイヤ構造を持つポリマワイヤからなる光吸収層を挿入する。n型半導体にZnOを用いた場合,その吸収端は3.3eV付近にあり,可視光の吸収量が少ない。そのため,通常は色素増感を行う。本発明では,色素に比べて強靭な量子ドットをもつポリマワイヤおよび/または量子ワイヤ構造を持つポリマワイヤにより可視光を吸収し,増感を行う。光吸収波長は量子ドット長さにより可変である。したがって,ポリマ内部の分子配列を制御し,量子ドットの長さを変えることにより,光吸収波長,すなわち増感スペクトルを制御できる。光の照射は,面外からでもよいし,図示したように面内を導波させても良い。光吸収層が薄い場合は後者が有利である。この太陽電池の構造は,順方向バイアスを印加することによりそのまま有機ELとしても働く。さらに,量子ドットをもつポリマワイヤは,図10に示すような光スイッチの電気光学材料としても有用である。この例では,光導波路34の上に量子ドットをもつポリマワイヤが電気光学材料35として積層されている。
[Fifth Embodiment]
FIG. 10 shows a solar cell, an EL element, and an optical switch according to the present invention. A polymer wire having quantum dots 31 and / or a polymer wire having a quantum wire structure is used. In the case of a solar cell, for example, a light absorption layer made of a polymer wire having quantum dots and / or a polymer wire having a quantum wire structure is inserted between the thin film of the n-type semiconductor 32 and the thin film of the p-type semiconductor 33. When ZnO is used for the n-type semiconductor, its absorption edge is near 3.3 eV, and the amount of absorption of visible light is small. Therefore, dye sensitization is usually performed. In the present invention, visible light is absorbed and sensitized by a polymer wire having quantum dots that are tougher than a dye and / or a polymer wire having a quantum wire structure. The light absorption wavelength is variable depending on the quantum dot length. Therefore, the light absorption wavelength, that is, the sensitization spectrum can be controlled by controlling the molecular arrangement inside the polymer and changing the length of the quantum dots. The light irradiation may be performed from outside the surface, or may be guided in the surface as illustrated. The latter is advantageous when the light absorption layer is thin. The structure of this solar cell works as an organic EL as it is by applying a forward bias. Furthermore, polymer wires having quantum dots are useful as electro-optic materials for optical switches as shown in FIG. In this example, a polymer wire having quantum dots is laminated on the optical waveguide 34 as the electro-optic material 35.

図11に,TPA,PPDA,ODHをMLDにより配列制御して形成したポリマワイヤ構造を示す。Poly−AMは量子ワイヤ,OTPTPTは−−−ODH−TPA−PPDA−TPA−PPDA−TPA−−−の順に連結したワイヤ,OTPTは−−−ODH−TPA−PPDA−TPA−−−の順に連結したワイヤ,OTは−−−ODH−TPA−−−の順に連結したワイヤで,ODHで挟まれた部分が量子ドットとなる。OTPTP,OTPT,OTの量子ドット長さは,それぞれ3nm,2nm,0.8nm程度である。図12は,poly−AM,およびMLDにより作製したOTPTPT,OTPT,OTの吸収スペクトルである。量子ドットの長さが短くなるにしたがって,短波長シフトしている。このシフトは,分子軌道法,自由電子モデルから導かれるシフトにほぼ一致しており,量子閉じ込め効果が現れていると結論できる。この効果を利用することにより,上述のように,太陽電池の光吸収層やELの発光層,および電気光学材料として有効に働く。典型的な酸化物半導体ベースの太陽電池/EL構造例として,ITO/Cr(p型)薄膜/poly−AM内多重量子ドット/ZnO(n型)薄膜/Alのような積層構造が挙げられる。また,p型半導体のかわりに固体または液体の電解質を配置した色素増感型太陽電池セル構造も可能である。MLDによる光吸収層は,通常の色素増感型太陽電池における色素の役割をはたす。MLDとして,分子領域分離型MLDを用いることにより,スループットが向上する。FIG. 11 shows a polymer wire structure formed by controlling the arrangement of TPA, PPDA, and ODH using MLD. Poly-AM is a quantum wire, OTPTPT is connected in the order of --ODH-TPA-PPDA-TPA-PPDA-TPA ---, and OTPT is connected in the order of --ODH-TPA-PPDA-TPA ---. The wires OT are wires connected in the order of --- ODH-TPA ---, and the portion sandwiched between the ODHs is a quantum dot. The quantum dot lengths of OTPTP, OTPT, and OT are about 3 nm, 2 nm, and 0.8 nm, respectively. FIG. 12 shows absorption spectra of OTPTPT, OTPT, and OT produced by poly-AM and MLD. As the length of the quantum dot becomes shorter, the wavelength shifts shorter. This shift almost coincides with the shift derived from the molecular orbital method and the free electron model, and it can be concluded that the quantum confinement effect appears. By utilizing this effect, as described above, it works effectively as a light absorption layer of a solar cell, a light emitting layer of an EL, and an electro-optic material. As a typical oxide semiconductor-based solar cell / EL structure example, there is a laminated structure such as ITO / Cr 2 O 3 (p-type) thin film / poly-AM multiple quantum dots / ZnO (n-type) thin film / Al. Can be mentioned. Further, a dye-sensitized solar cell structure in which a solid or liquid electrolyte is arranged instead of a p-type semiconductor is also possible. The light absorption layer by MLD plays a role of a dye in a normal dye-sensitized solar cell. By using a molecular region separation type MLD as the MLD, the throughput is improved.

半導体材料としては,ZnO,CrOxのほかに,例えば,TiOx,WOx,IrOx,SrTiO:Cr−Taなどの酸化物半導体,GaNなどのIII−V族半導体,カーボンナノチューブ,ポリアゾメチン,ポリチオフェン,ポリオキサジアゾール,ペンタセン,フタロシアニンなどの有機材料を用いることができる。製膜法としては,スパッタリング,蒸着,Chemical Vapor Deposition(CVD),ALD,MLD,有機CVDなどがある。上記半導体の薄膜は,成長基板上に作製したのち,epitaxial lift−off(ELO)またはそれに類似の手法により基板から剥離することもできる。これにより,フィルムへの埋め込みが可能となる。As the semiconductor material, in addition to ZnO and CrOx, for example, TiOx, WOx, IrOx, SrTiO 3 : oxide semiconductor such as Cr—Ta, III-V group semiconductor such as GaN, carbon nanotube, polyazomethine, polythiophene, poly Organic materials such as oxadiazole, pentacene, and phthalocyanine can be used. Examples of the film forming method include sputtering, vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD), ALD, MLD, and organic CVD. The semiconductor thin film can be formed on a growth substrate, and then peeled off from the substrate by epitaxial lift-off (ELO) or a similar technique. As a result, the film can be embedded.

MLDのコンセプトである。  This is the concept of MLD. 本発明による分子領域分離型MLDの概念図である。  1 is a conceptual diagram of a molecular region separation type MLD according to the present invention. 本発明による分子領域分離型MLDの模式図である。  1 is a schematic diagram of a molecular region separation type MLD according to the present invention. 本発明による分子領域分離型MLDの他の模式図である。  It is another schematic diagram of the molecular region separation type MLD according to the present invention. 本発明による分子領域分離型MLDの他の模式図である。  It is another schematic diagram of the molecular region separation type MLD according to the present invention. 本発明による分子領域分離型MLDの他の模式図である。  It is another schematic diagram of the molecular region separation type MLD according to the present invention. 使用する分子と反応の例である。  This is an example of the molecules and reactions used. SAMからのポリマワイア成長の模式図である。  It is a schematic diagram of polymer wire growth from SAM. シードコアからのポリマワイア成長の模式図である。  It is a schematic diagram of polymer wire growth from a seed core. 本発明による光スイッチ,EL素子,太陽電池の模式図である。  It is a schematic diagram of the optical switch, EL element, and solar cell by this invention. 本発明による量子ドット,量子ワイヤの構造とエネルギーバンド図である。  It is the structure and energy band figure of the quantum dot and quantum wire by this invention. 本発明によるpoly−AM,およびMLDにより作製したOTPTPT,OTPT,OTの吸収スペクトルである。  It is an absorption spectrum of OTPTPT, OTPT, OT produced by poly-AM and MLD according to the present invention.

分子A 1a,分子B 1b,分子C 1c,分子D 1d,分子A領域 2a,分子B領域 2b,分子C領域 2c,分子D領域 2d,Nカーテン 3,基板 4,チャンバ 5,分子A用ノズル 7a,分子B用ノズル 7b,分子C用ノズル 7c,分子D用ノズル 7d,スピンステージ 8,スピンステージ 9,Nカーテン用ノズル 10,排気 11,シードコア 22,SiO 23,SAM 24,ポリマワイヤ 25,ポリマワイヤネットワーク 26,量子ドット 31,n型半導体 32,p型半導体 33,光導波路 34,電気光学材料 35Molecule A 1a, molecule B 1b, molecule C 1c, molecule D 1d, molecule A region 2a, molecule B region 2b, molecule C region 2c, molecule D region 2d, N 2 curtain 3, substrate 4, chamber 5, for molecule A Nozzle 7a, Nozzle for molecule B 7b, Nozzle for molecule C 7c, Nozzle for molecule D 7d, Spin stage 8, Spin stage 9, N 2 curtain nozzle 10, Exhaust 11, Seed core 22, SiO 2 23, SAM 24, Polymer wire 25, polymer wire network 26, quantum dot 31, n-type semiconductor 32, p-type semiconductor 33, optical waveguide 34, electro-optic material 35

Claims (7)

複数種類の反応性分子を順次基体に供給して分子配列制御する工程を含むポリマ鎖/薄膜成長法において,該反応性分子を種類ごとに異なる領域(以下,分子領域とよぶ)に配し,該基体を移動させることにより複数種類の反応性分子を順次基体に供給することを特徴とするポリマ鎖/薄膜成長法。  In the polymer chain / thin film growth method including the step of sequentially supplying a plurality of types of reactive molecules to the substrate and controlling the molecular arrangement, the reactive molecules are arranged in different regions (hereinafter referred to as molecular regions) for each type, A polymer chain / thin film growth method characterized by sequentially supplying a plurality of types of reactive molecules to a substrate by moving the substrate. 複数種類の反応性分子を順次基体に供給して分子配列制御する工程を含むポリマ鎖/薄膜成長法において,該反応性分子を種類ごとに異なる分子領域に配し,該分子領域を移動させることにより複数種類の反応性分子を順次基体に供給することを特徴とするポリマ鎖/薄膜成長法。  In a polymer chain / thin film growth method including a step of sequentially supplying a plurality of types of reactive molecules to a substrate and controlling the molecular arrangement, the reactive molecules are arranged in different molecular regions for each type, and the molecular regions are moved. A polymer chain / thin film growth method characterized in that a plurality of types of reactive molecules are sequentially supplied to a substrate by the above method. 請求項1−2に記載のポリマ鎖/薄膜成長法において,分子領域間にガスを流した領域(以下,ガスカーテンとよぶ)を配することを特徴とするポリマ鎖/薄膜成長法。  3. The polymer chain / thin film growth method according to claim 1-2, wherein a region (hereinafter referred to as a gas curtain) in which a gas flows is arranged between molecular regions. 請求項3に記載のポリマ鎖/薄膜成長法において,反応性分子をキャリアガスにより運び,基体に供給することを特徴とするポリマ鎖/薄膜成長法。  4. The polymer chain / thin film growth method according to claim 3, wherein the reactive molecules are carried by a carrier gas and supplied to the substrate. 請求項1−3に記載のポリマ鎖/薄膜成長法において,反応性分子の少なくとも1種類と反応する基を有する分子を基体の少なくとも一部に配置したことを特徴とするポリマ鎖/薄膜成長法。  4. The polymer chain / thin film growth method according to claim 1-3, wherein a molecule having a group that reacts with at least one kind of reactive molecule is disposed on at least a part of the substrate. . 複数種類の反応性分子を順次基体に供給して分子配列制御する工程を含むポリマ鎖/薄膜成長法により作製したポリマ鎖/薄膜を構成要素に含む太陽電池およびエレクトロルミネッセンス素子。  A solar cell and an electroluminescence device comprising a polymer chain / thin film produced by a polymer chain / thin film growth method including a step of sequentially supplying a plurality of types of reactive molecules to a substrate and controlling the molecular arrangement. 請求項6において,複数種類の反応性分子を順次基体に供給して分子配列制御する工程を含むポリマ鎖/薄膜成長法が,請求項1−5に記載のポリマ鎖/薄膜成長法であることを特徴とする太陽電池,エレクトロルミネッセンス素子,および光スイッチ。  The polymer chain / thin film growth method according to claim 6, wherein the polymer chain / thin film growth method including a step of sequentially supplying a plurality of types of reactive molecules to the substrate and controlling the molecular arrangement is the polymer chain / thin film growth method according to claim 1-5. A solar cell, an electroluminescence element, and an optical switch.
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