JP5334930B2 - Photoelectric conversion element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element having a charge transfer type hetero-junction structure which can obtain a solar cell, a light emitting diode or the like, excellent in durability, electronic physical properties, economic efficiency or the like by using a fullerene polymer film for a part of a component. <P>SOLUTION: A photocell has a hetero-junction structure obtained by laminating an electron supplying conductive polymer film 3 and an electron receiving fullerene polymer film 4 between a pair of electrode 1, 5 at least one of which is light-transmissible. In the formation of respective layers, especially the Raman method and the NEXAFS method are used together to identify the fullerene polymer film 4, and after confirming the polymer film, an upper layer is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、例えば太陽電池や発光ダイオード等として、フラーレンを構成材料の一部とする電荷移動型ヘテロ接合構造体を有する光電変換素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element having a charge transfer heterojunction structure having fullerene as a part of a constituent material, for example, as a solar cell or a light emitting diode.

従来より太陽電池の構成材料として、シリコンpn接合半導体等が広く用いられ、昨今ではそのエネルギー変換効率が開発当初に比べてかなり向上している。   Conventionally, a silicon pn junction semiconductor or the like has been widely used as a constituent material of a solar cell, and its energy conversion efficiency has improved considerably compared to the initial development.

太陽電池の素材としては上記シリコン以外にチタニアなどがあるが、最近では炭素化合物の一つであるフラーレンが注目されるようになった。以下、その発見ならびに開発の歴史を振り返りつつ、フラーレンの特徴について述べる。   As materials for solar cells, there are titania and the like in addition to the above silicon. Recently, fullerene, which is one of carbon compounds, has attracted attention. In the following, the characteristics of fullerene will be described while reviewing the history of discovery and development.

フラーレンはダイヤモンドや黒鉛と同様に炭素原子のみからなる一連の炭素化合物のことである。その存在が確かめられたのは今世紀末に大分近づいてきた頃で、1985年に炭素のレーザアブレーションによるクラスタービームの質量分析スペクトル中に発見された。しかし実際に製造法が確立されるにはさらに5年の歳月を待たねばならず、1990年に至って初めて炭素電極のアーク放電によるフラーレン(C60)の製造法が見い出され、それ以来、フラーレンは炭素系半導体材料等として注目される存在となっている。(Kratschmer, W.; Fostiropoulos, K.; Huffman, D.R. Chem. Phys. Lett. 1990, 170, 167. Kratschmer. W.;Lamb. L. D.; Fostiropoulos, K.; Huffman, D. R. Nature 1990, 347, 354.) Fullerene is a series of carbon compounds consisting only of carbon atoms, like diamond and graphite. Its existence was confirmed at the end of this century, and it was discovered in the mass spectrometry spectrum of a cluster beam by laser ablation of carbon in 1985. However, it is necessary to wait for another five years before the manufacturing method is actually established, and since 1990 the first fullerene (C 60 ) manufacturing method by arc discharge of a carbon electrode has been found. Since then, fullerenes have been found. Has attracted attention as a carbon-based semiconductor material. (Kratschmer, W .; Fostiropoulos, K .; Huffman, DR Chem. Phys. Lett. 1990, 170, 167. Kratschmer. W .; Lamb. LD; Fostiropoulos, K .; Huffman, DR Nature 1990, 347, 354. )

フラーレンは、60個以上の偶数個の炭素原子が球状に結合して分子集合体を構成した球状炭素Cn(n=60、70、76、78、80、82、84・・・など)である。中でも特に代表的なのは、初めに挙げた炭素数が60のC60と70のC70である。このうちC60フラーレンは正二十面体の頂点を全て切り落として正五角形を出した切頭二十面体と呼ばれる多面体構造を有し、図3(A)に示すようにその60個の頂点が全て炭素原子で占められた言わばサッカーボール型の分子構造を有する。それに対して、C70は図3(B)に示すようにラグビーボール型の分子構造を有する。 Fullerene is a spherical carbon C n (n = 60, 70, 76, 78, 80, 82, 84...) In which an even number of 60 or more carbon atoms are bonded in a spherical shape to form a molecular assembly. is there. Of particular representative of a C 70 to C 60 with 70 carbon atoms mentioned in the beginning it is 60. Among them, C 60 fullerene has a polyhedral structure called a truncated icosahedron that has a regular pentagon formed by cutting off all the vertices of the regular icosahedron, and all of the 60 vertices are as shown in FIG. It has a so-called soccer ball type molecular structure occupied by carbon atoms. On the other hand, C70 has a rugby ball type molecular structure as shown in FIG.

60の結晶はC60分子が面心立方構造に配置され、バンドギャップが約1.6eVであって半導体とみなせる。純粋な状態では約1014Ω/cmの電気抵抗を有する。そして、500℃で約1mmTorrの蒸気圧があり、昇華によって薄膜を蒸着することができる。C60に限らず、フラーレン分子は真空又は減圧下において容易に気化できることから、蒸着膜を形成し易い素材である。 The C 60 crystal has a C 60 molecule arranged in a face-centered cubic structure, has a band gap of about 1.6 eV, and can be regarded as a semiconductor. In its pure state, it has an electrical resistance of about 10 14 Ω / cm. Then, there is a vapor pressure of about 1 mmTorr at 500 ° C., and a thin film can be deposited by sublimation. In addition to C 60 , fullerene molecules can be easily vaporized under vacuum or reduced pressure, and thus are easy to form a deposited film.

しかしながら、最も量産性に富むC60やC70等のフラーレン分子は双極子モーメントがゼロであることから、それから得られる蒸着膜は、分子間にファン・デル・ワールス力しか働かず、強度的に脆弱である。そのため、この蒸着膜を空気中にさらすと、フラーレン分子間の隙間に酸素や水分子等が拡散進入し易く(図34参照)、その結果、構造的に劣化するだけでなく、その電子物性に悪影響を及ぼすことがある。このようなフラーレン蒸着薄膜の脆弱さは、フラーレンを薄膜電子デバイスの製作に適用するときに、デバイスの安定性の面で問題となる。さらにフラーレン分子間へ拡散進入した酸素分子により常磁性中心が発現するので、その薄膜特性の安定性の面からも問題があった。 However, since the fullerene molecules such as C 60 and C 70 rich in most mass production dipole moment is zero, the deposited film obtained therefrom is not work only van der Waals forces between the molecules, the strength to Vulnerable. Therefore, when this deposited film is exposed to the air, oxygen, water molecules, etc. are likely to diffuse into the gaps between the fullerene molecules (see FIG. 34), resulting in not only structural deterioration but also electronic properties. May have adverse effects. Such fragility of the fullerene-deposited thin film becomes a problem in terms of device stability when fullerene is applied to the production of a thin film electronic device. Furthermore, since the paramagnetic center is expressed by oxygen molecules diffused and entered between the fullerene molecules, there is a problem in terms of the stability of the thin film characteristics.

このような問題点を克服するため、近年、フラーレン分子同士を重合させる、いわゆるフラーレン重合体膜の製造方法が提唱されている。その代表例として光誘起によるフラーレン重合体の製膜方法を挙げることができる。〔(a) Rao,A.M.; Zhou,P.; Wang,K.-A; Hager,G.T.; Holden,J.M.; Wang,Y.; Lee,W.-T.; Bi,X.-X.; Eklund,P.C.; Cornett,D.S.; Duncan,M.A.; Amster,I.J. Science 1993, 256,955. (b) Cornett,D.C.; Amster,I.J.; Duncan,M.A.; Rao,A.M.; Eklund.P.C. J.Phys.Chem.1993, 97,5036. (c) Li,J.; Ozawa,M.; Kino,N.; Yoshizawa,T.; Mitsuki,T.; Horiuchi,H.; Tachikawa,O.; Kishio,K.; Kitazawa,K. Chem.Phys.Lett.1994, 227,572.〕   In order to overcome such problems, a so-called fullerene polymer film production method in which fullerene molecules are polymerized has been proposed in recent years. A typical example is a method of forming a fullerene polymer by light induction. ((A) Rao, AM; Zhou, P .; Wang, K.-A; Hager, GT; Holden, JM; Wang, Y .; Lee, W.-T .; Bi, X.-X .; Eklund , PC; Cornett, DS; Duncan, MA; Amster, IJ Science 1993, 256, 955. (b) Cornett, DC; Amster, IJ; Duncan, MA; Rao, AM; Eklund. PCJ Phys. Chem. 1993, 97, 5036 (c) Li, J .; Ozawa, M .; Kino, N .; Yoshizawa, T .; Mitsuki, T .; Horiuchi, H .; Tachikawa, O .; Kishio, K .; Kitazawa, K. Chem. (Phys. Lett. 1994, 227, 572.)

この方法はあらかじめ製膜したフラーレン蒸着膜に対し、蒸着後に光照射を行うものであるが、重合時に生じる体積収縮のため膜の表面に無数のヒビがはいり易く、強度の面で問題がある。しかもこの方法では、面積の広い均一な薄膜を製膜することは極めて困難である。   In this method, a fullerene vapor-deposited film formed in advance is irradiated with light after vapor deposition. However, due to volume shrinkage that occurs during polymerization, innumerable cracks are easily generated on the film surface, which is problematic in terms of strength. In addition, with this method, it is extremely difficult to form a uniform thin film having a large area.

その外にも、フラーレン分子に圧力や熱を加えるか、あるいはフラーレン分子同士を衝突させることによってフラーレン重合体膜を製膜できることが知られているが、これらの方法では製膜はできても薄膜を得ることは困難である。〔分子衝突法 (a)Yeretzian,C.; Hansen,K.; Diederich,F.; Whetten,R.L. Nature 1992, 359,44. (b)Whetten,R.L.; Yeretzian,C. Int.J.Mod.Phys.1992, B6,3801.(c)Hansen,K.; Yeretzian,C.; Whetten,R.L. Chem.Phys.Lett.1994, 218,462. (d)Seifert,G.; Schmidt,R. Int.J.Mod.Phys.1992,B6,3845. イオンビーム法 (a)Seraphin,S.; Zhou,D.; Jiao,J. J.Mater.Res.1993, 8,1995. (b)Gaber,H.; Busmann,H.-G.; Hiss,R.; Hertel,I.V.; Romberg,H.; Fink,J.; Bruder,F.; Brenn,R.J.Phys.Chem,1993,97,8244. 圧力法 (a)Duclos,S.J.; Brister,K.; Haddon,R.C.; Kortan,A.R.; Thiel,F.A. Nature 1991,351,380. (b)Snoke,D.W.; Raptis,Y.S.; Syassen,K. 1 Phys.Rev.1992,B45,14419. (c)Yamawaki,H.; Yoshida,M.; Kakudate,Y.; Usuda,S.; Yokoi,H.; Fujiwara,S.; Aoki,K.; Ruoff,R.; Malhotra,R.; Lorents,D.J.Phys.Chem. 1993,97,11161. (d)Rao,C.N.R.; Govindaraj,A.; Aiyer,H.N.; Seshadri,R.J.Phys.Chem. 1995,99,16814. 〕   In addition, it is known that fullerene polymer films can be formed by applying pressure or heat to fullerene molecules, or by causing fullerene molecules to collide with each other. It is difficult to get. (Molecular collision method (a) Yeretzian, C .; Hansen, K .; Diederich, F .; Whetten, RL Nature 1992, 359, 44. (b) Whetten, RL; Yeretzian, C. Int. J. Mod. Physics 1992, B6, 3801. (c) Hansen, K .; Yeretzian, C .; Whetten, RL Chem. Phys. Lett. 1994, 218, 462. (d) Seifert, G .; Schmidt, R. Int. J. Mod Phys. 1992, B6, 3845. Ion beam method (a) Seraphin, S .; Zhou, D .; Jiao, JJ Mater. Res. 1993, 8, 1995. (b) Gaber, H .; Busmann, H. -G .; Hiss, R .; Hertel, IV; Romberg, H .; Fink, J .; Bruder, F .; Brenn, RJPhys.Chem, 1993,97,8244. Pressure method (a) Duclos, SJ; Brister, K .; Haddon, RC; Kortan, AR; Thiel, FA Nature 1991, 351, 380. (b) Snoke, DW; Raptis, YS; Syassen, K. 1 Phys. Rev. 1992, B45, 14419. (c) Yamawaki, H .; Yoshida, M .; Kakudate, Y .; Usuda, S .; Yokoi, H .; Fujiwara, S .; Aoki, K .; Ruoff, R .; Malhotra, R .; Lorents, DJPhys. Chem. 1993, 97, 11161. (d) Rao, CNR; Govindaraj, A .; Aiyer, HN; Seshadri, RJ Phys. Chem. 1995, 99, 16814.)

一方、これら従来法に替るフラーレン重合法(又は製膜方法)として注目に値いするのが、本発明者が先に提唱したプラズマ重合法やマイクロ波(プラズマ)重合法である。(たとえばTakahashi, N.; Dock, H.; Matsuzawa, N.; Ata,M.J.Appl.Phys. 1993,74,5790.)。このような方法で得られるフラーレン重合体(図32及び図33)の膜は、フラーレン分子が電子励起状態を経て重合してできた薄膜であり、フラーレン蒸着薄膜に比較して強度が格段に増加し、緻密にしてかつ柔軟性に富む。そして真空中でも大気中でもその電子物性がほとんど変化しないことから、その緻密な薄膜構造が酸素分子等による膜内部への拡散進入を効果的に抑制しているのだと考えられる。事実、このような方法で薄膜を構成するフラーレンの多量体が生成されることは、レーザアブレーション法による飛行時間型質量分析によって知ることができる。   On the other hand, the plasma polymerization method and the microwave (plasma) polymerization method previously proposed by the present inventors are worthy of attention as a fullerene polymerization method (or film forming method) that replaces these conventional methods. (For example, Takahashi, N .; Dock, H .; Matsuzawa, N .; Ata, M.J. Appl. Phys. 1993, 74, 5790.). The film of fullerene polymer (FIGS. 32 and 33) obtained by such a method is a thin film formed by polymerizing fullerene molecules through an electronically excited state, and the strength is significantly increased compared to a fullerene-deposited thin film. It is dense and flexible. And since the electronic properties hardly change in vacuum or in the air, it is considered that the dense thin film structure effectively suppresses the diffusion of oxygen molecules into the film. In fact, the generation of fullerene multimers constituting a thin film by such a method can be known by time-of-flight mass spectrometry by laser ablation.

プラズマ法の種類を問わず、フラーレン重合体膜の電子物性はその重合形態に大きく依存するものと思われる。実際にマイクロ波プラズマ法により得られたC60の重合体膜の質量分析結果は、以前発明者らが報告したC60のアルゴンプラズマ重合体薄膜のそれと、酷似している〔Ata,M.; Takahashi,N.; Nojima,K.J.Phys.Chem.1994,98,9960.Ata,M.; Kurihara,K.; Takahashi,J.Phys.Chem.B 1996,101,5.参照〕。 Regardless of the type of plasma method, the electronic physical properties of the fullerene polymer film are considered to depend largely on the polymerization form. The mass spectrometry result of the C 60 polymer film actually obtained by the microwave plasma method is very similar to that of the C 60 argon plasma polymer thin film previously reported by the inventors [Ata, M .; Takahashi, N .; Nojima, KJPhys. Chem. 1994, 98, 9960. Ata, M .; Kurihara, K .; Takahashi, J. Phys. Chem. B 1996, 101, 5.].

フラーレン重合体の微細構造については、パルスレーザ励起の飛行時間型質量分析(TOF−MS)によって推定することができる。一般に高分子量のポリマーを非破壊的に測定する方法として、マトリックスアシスト法が知られている。しかし、フラーレン重合体を溶解する溶媒が存在しないことから、重合体の実際の分子量分布を直接評価することは困難である。LDITOF−MS(Laser Desorption Ionization Time-of-Flight Mass Spectroscopy)による質量評価も、適当な溶媒が無いことと、C60とマトリックス分子とが反応してしまうためマトリックスアシスト法が適用できない等の理由により、実際のフラーレン重合体の質量分布を正確に評価することは困難である。 The fine structure of the fullerene polymer can be estimated by time-of-flight mass spectrometry (TOF-MS) with pulsed laser excitation. In general, a matrix assist method is known as a method for nondestructively measuring a high molecular weight polymer. However, since there is no solvent that dissolves the fullerene polymer, it is difficult to directly evaluate the actual molecular weight distribution of the polymer. Mass evaluation by LITOF-MS (Laser Desorption Ionization Time-of-Flight Mass Spectroscopy) is also due to the absence of an appropriate solvent and the inability to apply the matrix assist method because C 60 reacts with matrix molecules. Therefore, it is difficult to accurately evaluate the mass distribution of the actual fullerene polymer.

60重合体の構造は、C60が重合を起こさない程度のレーザパワーのアブレーションで観測したLDITOF−MSの多量体のピーク位置や2量体のプロフィールから、推定することができる。たとえば50Wのプラズマパワーで得られたC60重合膜のLDITOF−MSは、C60分子間の重合が4個の炭素のロスを伴う過程が最も確率的に高いことを示している。すなわち2量体の質量領域においてC120はマイナープロダクトであり、最も高い確率で生成するのはC116である。 Structure of C 60 polymer may be C 60 from profile multimers peak position and dimer of LDITOF-MS observed by ablation laser power enough not undergo polymerization estimates. For example, LDIOF-MS of a C 60 polymerized film obtained with a plasma power of 50 W shows that the process involving the loss of four carbons is most probable in the polymerization between C 60 molecules. That C 120 in the mass regions of the dimer are minor products, are C 116 to produce the highest probability.

また半経験的レベルのC60の2量体の計算によると、このC116は図5に示すようなD2h対称C116であると考えられる。これはC58の再結合によって得られるが、このC58はC60のイオン化状態を含む高い電子励起状態からC2が脱離して生成されることが報告されている〔(a)Fieber-Erdmann,M.et al,Z.Phys.D1993,26,308.(b)Petrie,S.et al,Nature 1993,356,426.(c)Eckhoff,W.C.;Scuseria,G.E.; Chem.Phys.Lett.1993,216,399.〕。 Further, according to the calculation of C 60 dimer at a semi-empirical level, this C 116 is considered to be a D 2h symmetric C 116 as shown in FIG. This is obtained by recombination of C 58 , and it is reported that C 58 is generated by desorption of C 2 from a high electronic excited state including an ionized state of C 60 [(a) Fieber-Erdmann , M. et al, Z. Phys. D1993, 26, 308. (b) Petrie, S. et al, Nature 1993, 356, 426. (c) Eckhoff, WC; Scuseria, GE; Chem. Phys. Lett. 1993, 216, 399. ].

この開殻C58分子が5員環2個が隣接する構造へ転位する以前に2分子で結合すれば、図5に示されるC116が得られる。しかし本発明者は、C60のプラズマ重合の初期の過程ではあくまでも励起3重項メカニズムによる[2+2]環状付加反応(反応生成物は図4に示す)が生じると考えている。また、前記のように最も高い確率でC116が生成するのは、C60の電子励起3重項状態から図4のように[2+2]環状付加反応により生成した(C602のシクロブタンを形成する4個のSP3炭素の脱離と、2個のC58開殻分子の再結合とによるためと考えられる。 If previously coupled with 2 molecules this open-shell C 58 molecules two 5-membered ring is translocation into adjacent structures, C 116 shown in FIG. 5 is obtained. However, the present inventor believes that the [2 + 2] cycloaddition reaction (reaction product is shown in FIG. 4) is caused by an excited triplet mechanism in the initial stage of plasma polymerization of C 60 . In addition, as described above, C 116 is generated with the highest probability because (C 60 ) 2 cyclobutane generated from the electronically excited triplet state of C 60 by a [2 + 2] cycloaddition reaction as shown in FIG. This is thought to be due to the elimination of the four SP 3 carbons formed and the recombination of the two C 58 open shell molecules.

例えば、TOF−MSのイオン化ターゲント上のC60微結晶に強いパルスレーザ光を照射すると、マイクロ波プラズマ重合法と同様にフラーレン分子が電子励起状態を経て重合が起こるが、C60光重合体のピークとともにC58,C56等のイオンも観測される。 For example, when irradiated with strong pulse laser light in the C 60 crystallites on ionization Tagento of TOF-MS, but the fullerene molecules as with the microwave plasma polymerization method polymerization occurs via an electronic excited state, the C 60 photopolymer Along with the peak, ions such as C 58 and C 56 are also observed.

しかし、C58 2+あるいはC2 +等のフラグメントイオンは観測されないことから、前記Fieber-Erdmannらの文献に述べられているようなC60 3+から直接C58 2+とC2 +へフラグメンテーションすることは、この場合には考えられない。また、C24ガスプラズマ中でC60を気化させて製膜した場合、そのLDITOF−MSにはC60のFあるいはC24のフラグメントイオンの付加体のみが観測され、C60重合体は観測されない。このようにC60重合体の観測されないLDITOF−MSには、C58,C56等のイオンも観測されないという特徴がある。これらの観測結果もまた、C2の損失がC60重合体を経てから起こることを支持している。 However, since fragment ions such as C 58 2+ or C 2 + are not observed, fragmentation from C 60 3+ directly to C 58 2+ and C 2 + as described in the aforementioned Fieber-Erdmann et al. It is unthinkable to do in this case. Also, when the film to vaporize C 60 with C 2 F 4 gas plasma, only adducts of fragment ions of F or C 2 F 4 of C 60 is observed in its LDITOF-MS, C 60 double No coalescence is observed. Thus, LDIOF-MS in which no C 60 polymer is observed has a feature that ions such as C 58 and C 56 are not observed. These observations are also supported a loss of C 2 occurs from the through C 60 polymer.

では、そのC2損失が、プラズマ重合において果して図4に示す[2+2]環状付加反応による1,2−(C602から直接起こるのかどうかということが、次に問題となる。それを、ムーリーや大澤らは1,2−(C602の構造緩和のプロセスを提唱して以下のように説明している〔(a)Murry,R.L.et al,Nature 1993,366,665.(b)Strout,D.L.et al,Chem.Phys.Lett. 1993,214,576.Osawa,E.私信〕。 The next question is whether the C 2 loss occurs directly from 1,2- (C 60 ) 2 by the [2 + 2] cycloaddition reaction shown in FIG. 4 in the plasma polymerization. Mouri and Osawa et al. Have proposed the structure relaxation process of 1,2- (C 60 ) 2 as follows: [(a) Murry, Rlet al, Nature 1993, 366, 665. Strout, DL et al, Chem. Phys. Lett. 1993, 214, 576. Osawa, E. Personal communication].

両者とも図4に示す1,2−(C602の構造緩和の初期過程では、クロスリンク部位の最も歪みの大きい1,2−C−C結合の開裂した図6のC120(b)を経て、Stone-Wales 転位(Stone,A.J.; Wales,D.J.Chem.Phys.Lett. 1986,128,501.(b)Satio, R.Chem.Phys.Lett.1992,195,537.)によるはしご型のクロスリンクを有する図7のC120(c)から、図8のC120(d)が生成されるとしている。図4の1,2−(C60)2から図6のC120(b)へ転位するとエネルギー的に不安定化するが、さらに図7のC120(c)から図8のC120(d)と転位するにつれて再度安定化する。 In both cases, in the initial stage of structural relaxation of 1,2- (C 60 ) 2 shown in FIG. 4, C 120 (b) in FIG. 6 in which the most strained 1,2-C—C bond at the cross-link site was cleaved. Via the Stone-Wales rearrangement (Stone, AJ; Wales, DJ Chem. Phys. Lett. 1986, 128, 501. (b) Satio, R. Chem. Phys. Lett. 1992, 195, 537.) It is assumed that C 120 (d) in FIG. 8 is generated from C 120 (c) in FIG. To C 120 energetically destabilized when rearranges to (b) in Figures 4-6 of the 1,2- (C 60) 2, but further C 120 (d in FIG. 8 from C 120 (c) of FIG. 7 ) And become stable again as it is rearranged.

このようにプラズマ誘起によるC60の重合において観測されるnC2の損失が、その初期過程と考えられる図4の1,2−(C60)から直接起こるのか、あるいはこれがある程度構造緩和した後で起こるのか明確な知見は得られていないが、観測されるC118は図8のC120(d)からのC2の脱離とダングリングの再結合によって図9の様な構造をとるものと考えられる。また、図9のC118の梯子型クロスリンクの2個の炭素が脱離しダングリングが再結合することによって、図10に示すようなC116が得られる。2量体のTOF−MSに奇数個のクラスターがほとんど観測されないことや構造の安定さからすると、C2の損失が1,2−(C602から直接起こるよりも、図8のC120(d)を経て起こると考えた方が、理にかなっているように思われる。 After this way the loss of nC 2 observed in the polymerization of C 60 by plasma induced, its either initial process and considered in FIG. 4 1,2-(C 60) from happen directly, or this is to some extent structural relaxation Although no clear knowledge has been obtained as to whether this occurs, the observed C 118 has a structure as shown in FIG. 9 due to C 2 detachment from C 120 (d) in FIG. 8 and recombination of dangling. Conceivable. Also, C 116 as shown in FIG. 10 is obtained by desorbing two carbons of the ladder cross link of C 118 in FIG. 9 and recombining the dangling. When an odd number of clusters TOF-MS of the dimer is from the stable of and structure that is hardly observed, than the loss of C 2 occurs directly from 1,2- (C 60) 2, C 120 in FIG. 8 It seems that it makes more sense to think that it happens via (d).

また、大澤らは前記文献にC120(a)から多段階のStone-Wales転位による構造緩和を経て、D5d対称C120構造が得られることを記述している。このC120の構造はC70分子のグラファイト構造がC120まで延びたもので、C60重合体からナノチューブが得られることを示唆する点で興味深い。しかし、プラズマ照射による重合体の形成に際しては、C60重合体のTOF−MSを見るかぎり、このような多段階の転位反応による構造緩和よりもC2の損失を伴う構造緩和の過程が優先すると考えられる。 In addition, Osawa et al. Described in the above literature that a D 5d symmetric C 120 structure can be obtained from C 120 (a) through structural relaxation by multi-stage Stone-Wales dislocations. The structure of this C 120 intended to graphite structure of C 70 molecules extends to C 120, interesting in that it suggests that nanotubes are obtained from C 60 polymer. However, in the formation of the polymer by plasma irradiation, as far as the TOF-MS of the C 60 polymer is seen, the process of structural relaxation with loss of C 2 takes precedence over the structural relaxation by such multistage rearrangement reaction. Conceivable.

一般にπ軌道とσ軌道が直交する平面共役化合物では1(π−π)−3(π−π)間のスピン遷移は禁制であり、振電相互作用によりσ軌道が混ざる場合に許容となる。C60の場合にはπ共役系の非平面性によりπ軌道とσ軌道がミキシングすることから1(π−π)−3(π−π)間のスピン−軌道相互作用による項間交叉が可能となり、C60の高い光化学反応性がもたらされる。C60分子の切頭20面体という高い対称性は電子励起状態間や振動準位間の遷移に厳しい禁制則をもたらす反面、平面分子では禁制であるスピン多重度の異なる(π−π)性の状態間の遷移を許容する点が、フラーレン、特にC60の電子励起状態の挙動の特徴である。 In general, spin transition between 1 (π−π * ) − 3 (π−π * ) is forbidden for planar conjugated compounds in which the π orbit and σ orbit intersect at right angles, and it is acceptable when the σ orbit is mixed by vibronic interaction. Become. In the case of C 60, the π orbital and the σ orbital are mixed due to the non-planarity of the π conjugated system, and therefore the inter-term crossover due to spin-orbit interaction between 1 (π−π * ) − 3 (π−π * ) becomes possible, high photochemical reactivity of C 60 is provided. The high symmetry of the truncated icosahedron of the C 60 molecule causes a severe forbidden law in the transition between electronically excited states and vibrational levels, but the difference in spin multiplicity (π-π * ), which is forbidden for planar molecules. The feature of the behavior of the electronically excited state of fullerene, particularly C 60 , is that the transition between these states is allowed.

プラズマ重合法はC70分子の重合にも適用可能である。しかし、C70分子間の重合となると、そのメカニズムを理解することはC60の場合より容易でない。そこで、便宜上、図11に示すようなC70の炭素原子のナンバリングの助けを借りて、できるだけ分かり易く説明したい。 The plasma polymerization method can also be applied to the polymerization of C70 molecules. However, if the polymerization between C 70 molecules, it is not easier than the case of the C 60 to understand the mechanism. Therefore, for convenience, with the aid of the numbering of the carbon atoms of C 70 as shown in FIG. 11, I want to explain as much as possible to understand easily.

70の105本のC−C結合は、C(1)−C(2),C(2)−C(4),C(4)−C(5),C(5)−C(6),C(5)−C(10),C(9)−C(10),C(10)−C(11),C(11)−C(12)で代表される8種類のC−C結合に分類され、このうちC(2)−C(4),C(5)−C(6)はC60のC=C結合と同程度の2重結合性である。この分子のC(9),C(10),C(11),C(14),C(15)を含む6員環のπ電子は非極在化し、5員環を形成するC(9)−C(10)結合が2重結合性を帯びると同時に、C(11)−C(12)結合が単結合性となる。C70の重合を2重結合性のC(2)−C(4),C(5)−C(6),C(9)−C(10),C(10)−C(11)について考える。なお、C(11)−C(12)結合はほぼ単結合であるが、2つの6員環にわたる結合(6,6-ring fusion )であるので、この結合の付加反応性についても吟味する。 105 C—C bonds of C 70 are C (1) -C (2), C (2) -C (4), C (4) -C (5), C (5) -C (6 ), C (5) -C (10), C (9) -C (10), C (10) -C (11), C (11) -C (12) They are classified into C bonds, of which C (2) -C (4) , C (5) -C (6) is a double bond of the same extent as C = C bond of C 60. The π electrons of the 6-membered ring including C (9), C (10), C (11), C (14), and C (15) of this molecule become non-polarized to form a 5-membered ring C (9 ) -C (10) bond is double-bonded, and C (11) -C (12) bond is single-bonded. C polymerizing double bonds of C 70 (2) -C (4 ), C (5) -C (6), C (9) -C (10), the C (10) -C (11) Think. The C (11) -C (12) bond is almost a single bond, but since it is a bond across two 6-membered rings (6,6-ring fusion), the addition reactivity of this bond is also examined.

まず、C70の[2+2]環状付加反応から考える。この5種類のC−C結合の[2+2]環状付加反応からは25種類のC70の2量体が得られるが、計算の便宜のために同じC−C結合間の9種の付加反応のみを考える。表1にMNDO/AM−1および/PM−3レベルの2分子のC70からC140の生成過程の反応熱(ΔHf 0(r))を示す。 First, consider the [2 + 2] cycloaddition reaction of C 70. From the [2 + 2] cycloaddition reaction of 5 types of C—C bonds, 25 types of C 70 dimers can be obtained, but for the convenience of calculation, only 9 types of addition reactions between the same C—C bonds are obtained. think of. Table 1 shows the heat of reaction (ΔH f 0 (r)) during the formation of C 70 to C 140 of two molecules at the MNDO / AM-1 and / PM-3 levels.

Figure 0005334930
表中、ΔHf 0(r)AM−1及びΔHf°(r)PM−3とは、J. J. P. Stewartによる半経験的分子起動法であるMNDO法のパラメタリゼーションを用いる場合の反応熱の計算値である。
Figure 0005334930
In the table, ΔH f 0 (r) AM-1 and ΔHf ° (r) PM-3 are calculated values of the heat of reaction when using the parameterization of the MNDO method, which is a semi-empirical molecular starting method by JJP Stewart. .

表中、C140(a)と(b),C140(c)と(d),C140(e)と(f)およびC140(g)と(h)はそれぞれC(2)−C(4),C(5)−C(6),C(9)−C(10)およびC(10)−C(11)結合のanti−syn異性体のペアである。C(11)−C(12)結合間の付加反応ではD2h対称のC140(i)のみが得られる。これらの構造は図14〜22に示す。なお、図12に最も安定な[2+2]環状付加反応によるC70重合体の初期構造を示す。 In the table, C 140 (a) and (b), C 140 (c) and (d), C 140 (e) and (f), and C 140 (g) and (h) are C (2) -C ( 4), an anti-syn isomer pair of C (5) -C (6), C (9) -C (10) and C (10) -C (11) bonds. In the addition reaction between C (11) -C (12) bonds, only D 2h symmetric C 140 (i) is obtained. These structures are shown in FIGS. FIG. 12 shows the initial structure of the C 70 polymer by the most stable [2 + 2] cycloaddition reaction.

この表1から、anti−syn異性体間のエネルギー差は認められない。C(2)−C(4)およびC(5)−C(6)結合間の付加反応はC60の付加反応と同程度に発熱的であり、逆にC(11)−C(12)結合間の付加反応は大きく吸熱的である。ところで、C(1)−C(2)結合は明らかに単結合であるが、この結合間の環状付加反応の反応熱はAM−1およびPM−3レベルでそれぞれ+0.19および−1.88kcal/molとなり、表1のC140(g)と(h)の反応熱とほぼ等しい。このことは、C(10)−C(11)結合間の付加反応も熱力学的に起こりえないことを示唆する。従って、C70分子間の付加重合反応はC(2)−C(4)およびC(5)−C(6)結合で優先的に起こり、C(9)−C(10)結合間の重合は起こったとしてもその確率は低いものと考えられる。なお、単結合性であるC(11)−C(12)結合間の反応熱がC(1)−C(2)結合間の反応熱より大きく発熱的になるのは、C140(i)のシクロブタン構造、とりわけC(11)−C(12)結合の歪みが極めて大きいことによると考えられる。なお、このような[2+2]環状付加に際してのクロスリンク結合に隣接するsp2炭素の2p2ローブの重なりの効果を評価するために、C70の2量体、C70−C60重合体およびC702の生成熱の比較を行った。詳細な数値データは割愛するが、この重なりによる効果はC140(a)〜(h)にわたってほぼ無視できると思われる。ただし、これはあくまでもMNDO近似レベルの計算での話である。 From Table 1, no energy difference between the anti-syn isomers is observed. The addition reaction between the C (2) -C (4) and C (5) -C (6) bonds is as exothermic as the C 60 addition reaction, and conversely C (11) -C (12) The addition reaction between the bonds is highly endothermic. By the way, although the C (1) -C (2) bond is clearly a single bond, the reaction heat of the cycloaddition reaction between these bonds is +0.19 and -1.88 kcal at the AM-1 and PM-3 levels, respectively. / Mol, which is almost equal to the heat of reaction of C 140 (g) and (h) in Table 1. This suggests that the addition reaction between C (10) -C (11) bonds cannot occur thermodynamically. Therefore, the addition polymerization reaction between C70 molecules occurs preferentially at C (2) -C (4) and C (5) -C (6) bonds, and polymerization between C (9) -C (10) bonds. Even if it happens, the probability is low. Incidentally, a single binding C (11) -C (12) the heat of reaction between the bond C (1) -C (2) become larger exothermic than the reaction heat of linkages, C 140 (i) This is considered to be due to the extremely large distortion of the cyclobutane structure, particularly the C (11) -C (12) bond. In order to evaluate the effect of overlapping the 2p 2 lobes of sp 2 carbon adjacent to the cross-link bond during such [2 + 2] cycloaddition, a C 70 dimer, a C 70 -C 60 polymer, and The heat of formation of C 70 H 2 was compared. Although detailed numerical data is omitted, it is considered that the effect of this overlap is almost negligible over C 140 (a) to (h). However, this is only about the calculation of the MNDO approximation level.

70の重合膜のLDITOF−MSによる2量体付近の質量分布は、C116,C118等の2量体が主生成物である。次に、C60からD2h−対称C116を得るプロセスと同様に、2量体(C702のシクロブタンを形成する4個の炭素原子を脱離させ、残りのC68の再結合によるC136の構造について考える。これらの構造を図23〜31に示す。表2にC136の生成熱(ΔHf 0)の相対比較を示す。 As for the mass distribution in the vicinity of the dimer of the polymerized film of C 70 by LDIOF-MS, the dimer such as C 116 and C 118 is the main product. Next, similar to the process of obtaining D 2h -symmetric C 116 from C 60 , the four carbon atoms forming the cyclobutane of the dimer (C 70 ) 2 are eliminated and the remaining C 68 is recombined. think about the structure of the C 136. These structures are shown in FIGS. Table 2 shows the relative comparison of the heat of formation of C 136 (ΔH f 0).

Figure 0005334930
但し、表2中のΔHf 0AM−1、ΔHf 0PM−3、クロスリンク、結合長は、前記表1と同様である。
Figure 0005334930
However, ΔH f 0 AM-1, ΔH f 0 PM-3, cross link, and coupling length in Table 2 are the same as those in Table 1.

136(a)−(i)はそれぞれC140(a)−(i)に対応しており、たとえばC140(a)でクロスリンクを形成していたC(2),C(4)はC136(a)では脱離している。また、C136(a)の4本のクロスリンクに関与する炭素はC(1),C(3),C(5)およびC(8)であり、これらはSP2炭素である。表1に示した2量体のうちPM−3レベルで最も安定な構造と予測されたのはC140(c)であったことから、表2ではC140(c)から得られるC136(c)のΔHf 0を比較の基準とした。表2からC136(a)および(b)の構造が大きく安定化すること、またC136(e),(f)および(i)は不安定化することがわかる。また、全てのC140およびC136構造の単位炭素原子当たりのΔHf 0の計算値を評価すると、C140からC136構造への過程で構造緩和するのはC140(a)および(b)からC136(a)および(b)への過程のみである。従って、MNDO近似レベルの計算から、C70のクロスリンクにおいては、初期過程の[2+2]環状付加反応の部位が分子主軸が通る両端の5員環の付近に限定されるのみならず、C136のようなπ共役系のクロスリンク構造も、C(2)−C(4)結合間の環状付加反応によるC70の2量体から得られるC136のみに限定されることが示唆される。なお、図12に示した構造の緩和過程で生成する、より安定なC136の分子構造を図13に示す。 C 136 (a)-(i) corresponds to C 140 (a)-(i), for example, C (2), C (4) forming a cross link with C 140 (a) is In C 136 (a), it is desorbed. The carbons involved in the four cross links of C 136 (a) are C (1), C (3), C (5) and C (8), which are SP 2 carbons. Since C 140 (c) was predicted to be the most stable structure at the PM-3 level among the dimers shown in Table 1, C 136 (c) obtained from C 140 (c) is shown in Table 2. ΔH f 0 of c) was used as a reference for comparison. From Table 2, it can be seen that the structure of C 136 (a) and (b) is greatly stabilized, and that C 136 (e), (f) and (i) are destabilized. Further, when the calculated values of ΔH f 0 per unit carbon atom of all C 140 and C 136 structures are evaluated, it is C 140 (a) and (b) that structure relaxation occurs in the process from C 140 to C 136 structure. Only the process from C 136 to (a) and (b). Therefore, from the calculation of MNDO approximation level, in the cross-linking of the C 70, not only the site of the [2 + 2] cycloaddition reaction of the initial process is limited to the vicinity of the 5-membered ring at both ends through which molecules spindle, C 136 cross-linked structure of the π-conjugated system such as well, C (2) -C (4 ) to be limited only to C 136 obtained from a dimer of C 70 by cycloaddition reaction between binding it is indicated. FIG. 13 shows a more stable molecular structure of C136 generated in the relaxation process of the structure shown in FIG.

このようなプラズマ等の電磁波誘起の重合法で得られるC60の重合体膜の導電性は半導体的であり、暗電流の温度依存性から評価したバンドギャップは1.5〜2eV程度である。大気中の酸素拡散の影響が蒸着膜に比べて著しく少ないこともまた重合膜の特徴である。マイクロ波パワー200Wで得られるC60重合膜の暗電流は10-7〜10-8S/cm程度であるのに対し、同じマイクロ波パワーで得られるC70重合膜では10-13S/cm以下とほぼ絶縁体である。このような重合膜の電気電導性の違いはその重合膜の構造に起因すると考えられる。C60重合膜の場合、図4の[2+2]環状付加反応による1,2−(C602の2量体のクロスリンクは、2分子のC60が開殻ビラジカル状態となる1本のクロスリンクボンド同様に、導電性の向上には寄与しないと考えられる。これに対し、C116の様な分子間クロスリンクはπ共役系を形成することから、導電性の向上に寄与すると考えられる。C118,C114,C112等のクロスリンク構造についても現在検討中であるが、1,2−(C602のクロスリンク部位の炭素の脱離と再結合からなる、導電性に寄与するπ共役したクロスリンクであると考えられる。 The conductivity of the polymer film of C 60 obtained by such an electromagnetic wave-induced polymerization method such as plasma is semiconducting, and the band gap evaluated from the temperature dependence of dark current is about 1.5 to 2 eV. It is also a feature of the polymerized film that the influence of oxygen diffusion in the atmosphere is significantly less than that of the deposited film. The dark current of the C 60 polymer film obtained at a microwave power of 200 W is about 10 −7 to 10 −8 S / cm, whereas the C 70 polymer film obtained at the same microwave power is 10 −13 S / cm. The following is almost an insulator. Such a difference in electrical conductivity of the polymer film is considered to be due to the structure of the polymer film. For C 60 polymerized film, [2 + 2] cycloaddition reaction with 1,2-(C 60) 2 dimer of cross-linking in Figure 4, one of the C 60 of the two molecules is open shell biradical state Like the cross-link bond, it is considered that it does not contribute to the improvement of conductivity. On the other hand, an intermolecular cross link such as C 116 forms a π-conjugated system, which is considered to contribute to improvement of conductivity. Crosslink structures such as C 118 , C 114 , and C 112 are currently under investigation, but contribute to conductivity, consisting of carbon desorption and recombination at the 1,2- (C 60 ) 2 crosslink sites. This is considered to be a π-conjugated cross link.

通常、導電性はフラーレン分子間の導電性のクロスリンクの数に対してリニアーに増加するのではなく、ある一定の数で浸透限界を超えて大きく変化するはずである。前述したように、C70の場合にはC60に比べ[2+2]環状付加応の確率が低いのみならず、C140からC136の様な導電性のクロスリンク構造への構造緩和も特定の部位のみでしか起こりえないと考えられる。従ってC60の重合体膜には導電性に寄与するクロスリンクの数が多く浸透限界を越えているが、C70の場合には低い重合の確率と導電性のクロスリンクの形成の制限から浸透限界を越えていないことが、両者の大きな導電性の違いの原因と考えられる。 Usually, conductivity does not increase linearly with the number of conductive crosslinks between fullerene molecules, but should vary greatly beyond the penetration limit by a certain number. As described above, not only [2 + 2] is a low probability of cycloaddition response compared to C 60 only in the case of C 70, structural relaxation also particular from C 140 to the conductive cross-link structure, such as C 136 It is thought that it can occur only at the site. Thus although the polymer film of C 60 number of contributing crosslinks conductive exceeds many penetration limit penetration to the limitation of the formation of low polymerization of probability and conductive cross-linked in the case of C 70 The fact that the limit is not exceeded is considered to be the cause of the large difference in conductivity between the two.

以上、フラーレン分子の発見からその蒸着膜及び重合体膜、更には重合のメカニズムについて説明してきたが、ここで話を冒頭の太陽電池に戻すことにする。   As described above, from the discovery of fullerene molecules, the deposited film and polymer film, and further the mechanism of polymerization have been explained, but here we will return to the solar cell at the beginning.

フラーレンという素材は、経済的にも物性的にも改良された太陽電池が得られる可能性を秘めており、事実これ迄にもフラーレンを構成材料とする太陽電池が幾つか提案されている(後記の特許文献1〜5:特許第9656473号、同95230248号、同99325116号、USP第5171373号、WO第9405045号等)。   The material called fullerene has the potential to provide a solar cell that is economically and physically improved, and in fact, several solar cells comprising fullerene have been proposed (see below). Patent Documents 1 to 5: Japanese Patent Nos. 9656473, 95230248, 99325116, USP 5171373, WO9405045, and the like.

しかし、提案されたどの太陽電池も、フラーレン蒸着膜を使用する点では共通しており、したがって既述した蒸着膜の脆弱さに由来する問題点、とりわけ耐久性や電子物性に関する問題が、未解決のままである。   However, all of the proposed solar cells are common in that they use fullerene vapor deposited films, so the problems arising from the weakness of the vapor deposited films described above, especially the problems related to durability and electronic properties, are still unresolved. Remains.

ところで、上記蒸着膜と同じフラーレン系に属するフラーレン重合体膜は、ポリマーバルクへの酸素拡散が生じない等の優れた物性により、十分な耐久性を示すものであるが、実際にこれを太陽電池製作のための構成材料に用いた試みは、未だかつて殆どない。   By the way, the fullerene polymer film belonging to the same fullerene system as the above-mentioned vapor-deposited film shows sufficient durability due to excellent physical properties such as no oxygen diffusion to the polymer bulk. There has never been an attempt to use construction materials for fabrication.

その大きな理由として、工業的なフラーレン重合技術が開発されてまだ日が浅い、という事情も考えられなくもないが、その外に、フラーレン重合体膜を非破壊的手法で的確に同定できる方法が、未だ確立されていないことが挙げられる。   The main reason for this is that the fact that industrial fullerene polymerization technology has been developed is still shallow, but there is also a method that can accurately identify fullerene polymer films by non-destructive methods. It is mentioned that it has not been established yet.

また、炭素系化合物の炭素骨格のつながりを明らかにする手段として、核磁気共鳴法のような方法も知られているが、フラーレン重合体膜のような炭素系薄膜に対しては、導電性に依存して自由誘導減衰のパターンが明確に観測されなかったり、ダングリング不対スピンによる核スピンへの横緩和の影響から、測定が難しい場合が多い。   A method such as nuclear magnetic resonance is also known as a means of clarifying the linking of the carbon skeleton of carbon compounds, but for carbon-based thin films such as fullerene polymer films, it is conductive. Depending on this, the pattern of free induction decay is not clearly observed, and measurement is often difficult due to the effect of transverse relaxation on the nuclear spin caused by dangling unpaired spin.

しかも、この核磁気共鳴法は、個体サンプルのマジックアングルスピンが困難であり、炭素系薄膜材料の構造変化をモニターする手段としては不適当である。   In addition, this nuclear magnetic resonance method is difficult to magically spin an individual sample, and is not suitable as a means for monitoring structural changes in a carbon-based thin film material.

本発明は上記事情を改善するためになされたもので、その目的は、フラーレン重合体膜の非破壊的な同定法を確立し、かつ同重合体膜を積層構造に適用することによって、耐久性や電子物性を始め、各種物性の改良された太陽電池等が得られる、電荷移動型ヘテロ接合構造体及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in order to improve the above circumstances, and its purpose is to establish a non-destructive identification method for a fullerene polymer film, and to apply durability to the laminated structure by applying the polymer film to a laminated structure. Another object of the present invention is to provide a charge transfer heterojunction structure and a method for producing the same, which can provide solar cells and the like having improved various physical properties including electronic properties.

すなわち、本発明の電荷移動型ヘテロ接合構造体は、光透過性電極とその対向電極との間に、導電性有機膜とフラーレン重合体膜とが積層されていることを特徴とするものである。   That is, the charge transfer heterojunction structure of the present invention is characterized in that a conductive organic film and a fullerene polymer film are laminated between a light-transmitting electrode and its counter electrode. .

また、本発明の電荷移動型ヘテロ接合構造体の製造方法は、光透過性電極を形成する工程と、導電性有機膜を形成する工程と、フラーレン重合体膜を形成する工程と、対向電極を形成する工程とを具備し、前記フラーレン重合体膜を同定したのちに他の構成層の形成を行うことを特徴とするものである。   The method for producing a charge transfer type heterojunction structure of the present invention includes a step of forming a light transmissive electrode, a step of forming a conductive organic film, a step of forming a fullerene polymer film, and a counter electrode. And forming another constituent layer after identifying the fullerene polymer film.

そして、上記同定は、ラマン法とネグザフス法(NEXAFS: Near-Edge X-ray Fine Structure) とを併用して行うのが、最も好ましい。   The identification is most preferably performed by using both the Raman method and the Nexafs method (NEXAFS: Near-Edge X-ray Fine Structure).

本発明のヘテロ接合構造体は、少なくとも一方を光透過性とする一対の電極間に、電子供与性である導電性有機膜と電子受容性であるフラーレン重合体膜とが積層されているので、光誘起による電荷移動が可能であり、太陽電池や発光ダイオードなどに好適な用途を有する。そして、構成材料の一部にフラーレン重合体膜が用いられているので、フラーレン蒸着膜を用いる場合に比較して、耐久性と電子物性とにおいて一段と優れている。蒸着膜の場合には、大気中での評価中、約1日で特性は完全に失なわれ易いが、重合体化すれば、1ケ月後でも特性はほとんど変化しない。   In the heterojunction structure of the present invention, an electron-donating conductive organic film and an electron-accepting fullerene polymer film are laminated between a pair of electrodes having at least one light-transmitting property. Photoinduced charge transfer is possible, and it is suitable for solar cells and light emitting diodes. Since a fullerene polymer film is used as a part of the constituent material, durability and electronic properties are further improved as compared with the case of using a fullerene vapor deposition film. In the case of a vapor-deposited film, the characteristics are easily lost in about one day during the evaluation in the atmosphere. However, when converted into a polymer, the characteristics hardly change even after one month.

また、特に太陽電池に適用した場合は、従来のシリコンpn接合型太陽電池とは比べて、著しく低コストで軽量であり、柔軟性に優れた薄膜が可能となり、かつ、エネルギー変換効率に遜色がなく、更にチタニア系太陽電池のように増感剤を用いずとも優れた光電変換効率を達成できる。   In particular, when applied to solar cells, it is extremely low-cost and lightweight compared to conventional silicon pn junction solar cells, and a thin film with excellent flexibility is possible, and the energy conversion efficiency is inferior. Furthermore, excellent photoelectric conversion efficiency can be achieved without using a sensitizer like a titania solar cell.

また、本発明の製造方法によると、前記電荷移動型ヘテロ接合構造体の各構成層を、困難を併なわずに形成することができるうえ、フラーレン重合体膜の同定を特にラマン法とネグザフス法の併用によって行うことができるので、フラーレン重合体膜の構造からその重合度、アモルファス化、酸化、さらには高電圧印加による絶縁破壊に至る各種評価を非破壊的に、且つ的確に行うことが可能となる。こうしたフラーレン重合体膜についての評価の結果に基づいて、フラーレン重合体膜を正確に同定できるから、目的のヘテロ接合構造体を確実に作製でき、かつその物性制御に役立てることができる。   Further, according to the production method of the present invention, each constituent layer of the charge transfer type heterojunction structure can be formed without difficulty, and the identification of the fullerene polymer film is particularly performed by the Raman method and the Negzaphs method. It is possible to perform various evaluations from the fullerene polymer film structure to its degree of polymerization, amorphization, oxidation, and dielectric breakdown due to high voltage application in a non-destructive and accurate manner. It becomes. Since the fullerene polymer film can be accurately identified based on the evaluation results of such a fullerene polymer film, the target heterojunction structure can be reliably produced and can be used for controlling the physical properties thereof.

本発明のヘテロ接合構造体は、少なくとも一方を光透過性とする一対の電極間に、電子供与性である導電性有機膜と電子受容性であるフラーレン重合体膜とが積層されているので、光誘起による電荷移動が可能であり、太陽電池や発光ダイオードなどに好適な用途を有する。その場合、フラーレン蒸着膜を構成材料に用いた場合に比べ、耐久性と電子物性とにおいて一段と優れている。   In the heterojunction structure of the present invention, an electron-donating conductive organic film and an electron-accepting fullerene polymer film are laminated between a pair of electrodes having at least one light-transmitting property. Photoinduced charge transfer is possible, and it is suitable for solar cells and light emitting diodes. In that case, compared with the case where a fullerene vapor-deposited film is used as a constituent material, the durability and the electronic properties are further improved.

そして、特に太陽電池に適用した場合は、従来のシリコンpn接合型太陽電池とは比べて、経済的な太陽電池が得られ、軽量性や柔軟性にも著しく優れており、またエネルギー変換効率は遜色がなく、更にチタニア系太陽電池と比べれば増感剤を用いずとも優れた光電変換効率を達成できる。   In particular, when applied to a solar cell, an economical solar cell can be obtained compared to a conventional silicon pn junction solar cell, and the light weight and flexibility are remarkably excellent, and the energy conversion efficiency is There is no inferiority, and excellent photoelectric conversion efficiency can be achieved without using a sensitizer as compared with a titania solar cell.

また、本発明の製造方法によると、前記ヘテロ接合構造体の各構成層を、困難を伴わずに形成することができるうえ、フラーレン重合体膜の同定を特にラマン法とネグザフス法の併用によって確実に行うことができる。しかも、フラーレン重合体膜の構造から、その重合度、アモルファス化、酸化、さらには高電圧印加による絶縁破壊に至る各種評価を非破壊的に且つ的確に実施することが可能となり、その評価の結果はヘテロ接合構造体の作製条件(従って、その物性)の制御に役立てることができる。   Further, according to the production method of the present invention, each of the constituent layers of the heterojunction structure can be formed without difficulty, and the fullerene polymer film can be identified particularly by the combined use of the Raman method and the Negzaphs method. Can be done. Moreover, various evaluations ranging from the structure of fullerene polymer film to its degree of polymerization, amorphization, oxidation, and dielectric breakdown due to high voltage application can be performed nondestructively and accurately. Can be used to control the fabrication conditions (and hence the physical properties) of the heterojunction structure.

本発明のヘテロ接合構造体を例示するものであって、(A)は単純ヘテロ構造体、(B)はダブルヘテロ構造体の各概略断面図である。The heterojunction structure of this invention is illustrated, Comprising: (A) is a simple heterostructure, (B) is each schematic sectional drawing of a double heterostructure. 同、他の単純ヘテロ接合構造体を例示するものであって、(C)は単純ヘテロ構造体、(D)はダブルヘテロ構造体の概略断面図である。FIG. 2 is a diagram illustrating another simple heterojunction structure, in which (C) is a schematic cross-sectional view of a simple heterostructure and (D) is a double heterostructure. (A)はC60の分子構造を示す模式図、(B)はC70の分子構造を示す模式図である。(A) schematic diagram showing the molecular structure of C 60 is, (B) is a schematic diagram showing the molecular structure of C 70. フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC60分子の2量体構造を示す図である。Is a diagram illustrating a dimeric structure of the C 60 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC60分子の他の2量体構造を示す図である。Is a diagram illustrating another dimeric structure of C 60 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC60分子の他の2量体構造〔C120(b)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 120 (b)] other of C 60 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC60分子の他の2量体構造〔C120(c)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 120 (c)] other of C 60 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC60分子の他の2量体構造〔C120(d)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 120 (d)] other of C 60 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC118分子の構造示す図である。It is a figure which shows the structure of C118 molecule | numerator considered to arise in the production | generation process of a fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC116分子の構造示す図である。It is a figure which shows the structure of C116 molecule | numerator considered to arise in the production | generation process of a fullerene polymer. 70分子のナンバリングシステムを示す図である。Is a diagram illustrating the numbering system of C 70 molecules. フラーレン重合体の過程で生じるものと考えられるC70分子の2量体構造を示す図である。Is a diagram illustrating a dimeric structure of the C 70 molecules is thought to occur in the course of the fullerene polymer. フラーレン重合体の過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造を示す図である。It is a figure which shows the other dimer structure of C70 molecule | numerator considered to arise in the process of a fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の2量体構造〔C140(a)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 140 (a)] of the C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C140(b)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 140 (b)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C140(c)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 140 (c)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C140(d)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 140 (d)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C140(e)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 140 (e)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C140(f)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 140 (f)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C140(g)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 140 (g)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C140(h)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 140 (h)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C140(i):D2h対称)を示す図である。The other dimeric structure of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer [C 140 (i): is a diagram showing a D 2h symmetry). 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C136(a)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 136 (a)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C136(b)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 136 (b)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C136(c)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 136 (c)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C136(d)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 136 (d)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C136(e)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 136 (e)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C136(f)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 136 (f)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C136(g)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 136 (g)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C136(h)〕を示す図である。It is a figure which shows the other dimer structure [ C136 (h)] of C70 molecule | numerator considered to be produced in the production | generation process of a fullerene polymer. 同、フラーレン重合体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造〔C136(i)〕を示す図である。The diagrams showing the dimeric structure [C 136 (i)] other of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating fullerene polymer. 60重合体の構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of a C60 polymer. 60重合体膜の構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of a C60 polymer film. 60蒸着膜の構造を示す図である。It is a diagram showing a structure of a C 60 vapor-deposited film. アーク放電によるフラーレン分子の製造装置を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing apparatus of fullerene molecule | numerator by arc discharge. プラズマ重合法によるフラーレン重合体膜の製造装置を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing apparatus of the fullerene polymer film | membrane by a plasma polymerization method. マイクロ波重合法によるフラーレン重合体膜の製造装置を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing apparatus of a fullerene polymer film | membrane by a microwave polymerization method. 電解重合法によるフラーレン重合体膜の製造装置を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing apparatus of a fullerene polymer film | membrane by an electropolymerization method. 本発明のヘテロ接合構造体のヘテロ接合部における電子とホールの移動状態を示すもので、(A)はステップが存在しない場合、(B)はステップが存在する場合である。The electron and hole movement state in the heterojunction part of the heterojunction structure of this invention is shown, (A) is a case where a step does not exist, (B) is a case where a step exists. アモルファスカーボンのラマンスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Raman spectrum of amorphous carbon. ITO薄膜のフェルミレベルを示す図である。It is a figure which shows the Fermi level of an ITO thin film. ポリチオフェン薄膜のPES測定結果を示す図である。It is a figure which shows the PES measurement result of a polythiophene thin film. ポリチオフェン薄膜のダイオード特性を示す図である。It is a figure which shows the diode characteristic of a polythiophene thin film. 60重合体膜のラマン分光測定結果をグラファイト様炭素のそれと比較して示す図である。Raman spectroscopic measurements of C 60 polymer film is a graph showing by comparison with that of the graphite-like carbon. フラーレン薄膜(C60重合体膜及びC60蒸着膜)の光電子放出測定結果を示す図である。Is a diagram showing photoemission measurements of fullerene thin film (C 60 polymer film and C 60 vapor-deposited film). 本発明のヘテロ接合構造体の一例のバンド構造を示す図である。It is a figure which shows the band structure of an example of the heterojunction structure of this invention. 同、ヘテロ接合構造体のVI特性等を示す図である。It is a figure which shows the VI characteristic etc. of a heterojunction structure similarly. 本発明の他のヘテロ接合構造体のVI特性等を示す図である。It is a figure which shows VI characteristic etc. of the other heterojunction structure of this invention. 同、ヘテロ接合構造体から導電性高分子膜の形成を省き、対向電極の材料を替えた積層体のVI特性を示す図である。It is a figure which shows VI characteristic of the laminated body which excluded the formation of the conductive polymer film from the heterojunction structure, and changed the material of the counter electrode. 同、積層体の対向電極の材料を変えた積層体のVI特性を示す図である。It is a figure which shows the VI characteristic of the laminated body which changed the material of the counter electrode of a laminated body similarly. プラズマ重合法により得られたC60重合体膜のラマンスペクトルを示す図である。It is a diagram showing a Raman spectrum of the C 60 polymer film obtained by a plasma polymerization method. 同、プラズマ重合法の条件を変えて得られた、C60重合体膜のラマンスペクトルを示す図である。Same, obtained by changing the conditions of the plasma polymerization method is a diagram showing a Raman spectrum of the C 60 polymer film. 60蒸着膜のラマンスペクトルを示す図である。It is a diagram showing a Raman spectrum of the C 60 vapor-deposited film. グラファイト様炭素のラマンスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Raman spectrum of graphite-like carbon. アルゴンプラズマ重合法で製膜したC60重合体膜と、電解重合法で製膜したC60重合体膜の、ラマンスペクトルを示す図である。A C 60 polymer film was formed into a film with an argon plasma polymerization method, the C 60 polymer film was formed into a film by electrolytic polymerization method is a diagram showing a Raman spectrum. 一定圧力下で、プラズマパワーを変えた場合の、プラズマ重合法で製膜したC60重合体膜のラマンスペクトルを示す図である。Under constant pressure, when changing the plasma power, it is a diagram showing a Raman spectrum of the C 60 polymer film was formed into a film by a plasma polymerization method. プラズマパワーを一定とし、圧力を変えた場合の、プラズマ法で製膜したC60重合体膜のラマンスペクトルを示す図である。The plasma power is constant, when changing the pressure, is a diagram showing a Raman spectrum of the C 60 polymer film was formed into a film by a plasma method. 一定圧力下で得られたC60蒸着膜のラマンスペクトルを示す図である。It is a diagram showing a Raman spectrum of the C 60 vapor-deposited film obtained under constant pressure. 圧力を変えた場合の同C60蒸着膜のラマンスペクトルを示す図である。It is a diagram showing a Raman spectrum of the C 60 vapor-deposited film when changing the pressure. さらに圧力を変えた同C60蒸着膜のラマンスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Raman spectrum of the same C60 vapor deposition film which changed the pressure further. 圧力を変え、一定のパワー下でプラズマ重合法を実施して得られたC60重合体膜のラマンスペクトルを示す図である。Changing the pressure, it is a diagram showing a Raman spectrum of the C 60 polymer film obtained by carrying out plasma polymerization method under a constant power. プラズマパワーを変えた場合の同C60重合体膜のラマンスペクトルを示す図である。It is a diagram showing a Raman spectrum of the C 60 polymer film when changing the plasma power. 60蒸着膜のネグザフススペクトルを示す図である。It is a diagram illustrating a Negu The Hus spectrum of C 60 vapor-deposited film. 60プラズマ重合体膜のネグザフススペクトルを示す図である。It is a diagram illustrating a Negu The Hus spectrum of C 60 plasma polymer film. 図63及び図64の各試料についてπ反結合性の軌道への遷移部分を拡大して示す図である。FIG. 66 is an enlarged view showing a transition portion to a π antibonding orbital for each sample in FIGS. 63 and 64. 図52の試料のC60重合体膜のネグザフススペクトルを示す図である。FIG. 53 is a diagram showing a Negaffus spectrum of a C 60 polymer film of the sample of FIG. 図66の試料の炭素薄膜の酸素Kエッジのネグザフススペクトルを示す図である。FIG. 66 is a diagram showing a Negaffus spectrum of an oxygen K edge of the carbon thin film of the sample of FIG. 66. 本発明のヘテロ接合構造体において、フラーレン重合体膜のネグザフス法によるスペクトルと、光誘起による電子及びホールの軌道遷移との関係を示す図である。In the heterojunction structure of this invention, it is a figure which shows the relationship between the spectrum by the Negafus method of a fullerene polymer film, and the orbital transition of an electron and a hole by light induction. 導電性高分子膜とフラーレン重合体膜との間に活性層を介在した本発明のヘテロ接合構造体のVI特性等を示す図である。It is a figure which shows VI characteristic etc. of the heterojunction structure of this invention which interposed the active layer between the conductive polymer film and the fullerene polymer film. フタロシアニン膜の光電子放出スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the photoelectron emission spectrum of a phthalocyanine film | membrane. 同、膜の光電子エネルギーと吸収係数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the photoelectron energy of a film | membrane, and an absorption coefficient similarly. 図69のヘテロ接合構造体において、対向電極を変えた場合のVI特性を示す図である。FIG. 70 is a diagram illustrating VI characteristics when the counter electrode is changed in the heterojunction structure of FIG. 69. ITO−テトラチアフルバレン−C60重合体からなる積層体のVI特性を示す図である。ITO- is a diagram showing the VI characteristics of tetrathiafulvalene -C 60 comprising a polymer laminate. 本発明の他のヘテロ接合構造体のVI特性を示す図である。It is a figure which shows the VI characteristic of the other heterojunction structure of this invention.

本発明の電荷移動型ヘテロ接合構造体は、前記積層構造において、フラーレン重合体膜が対向電極に接していることが好ましい。   In the charge transfer type heterojunction structure of the present invention, the fullerene polymer film is preferably in contact with the counter electrode in the laminated structure.

また、このような場合も含めて、フラーレン重合体膜と導電性有機膜との間に活性層がキャリア発生層として介在していることが好ましい。   In addition, including such a case, it is preferable that an active layer is interposed as a carrier generation layer between the fullerene polymer film and the conductive organic film.

また、本発明では、各電極の外面側(大気に露出する面)に基板を適宜、設けることができる。   Moreover, in this invention, a board | substrate can be suitably provided in the outer surface side (surface exposed to air | atmosphere) of each electrode.

本発明の代表的なヘテロ接合構造体としては、図1(A)に示すように、シリコンやガラス等でできた透明基板1の上にITO(Indium tin oxide:インジウム酸化物にスズをドープしたもの)などの光透過性電極2と、ポリチオフェンなどの導電性高分子膜3と、この導電性高分子膜とヘテロ接合を形成するフラーレン重合体膜4と、アルミニウムなどからなる対向電極5とが、この順に積層されていることが望ましい。さらに、図1(B)に示すように、導電性高分子膜3とフラーレン重合体膜4との間に、キャリア発生層としてたとえばカーボンナノチューブやフタロシアニン等の活性層6が介在していることが好ましい。ここで、導電性高分子膜3、活性層6、フラーレン重合体膜4の各厚みはそれぞれ0.1〜50nm(好ましくは5〜20nm)(以下、同様)であってよい。   As a typical heterojunction structure of the present invention, as shown in FIG. 1A, ITO (Indium tin oxide) is doped with tin on a transparent substrate 1 made of silicon, glass or the like. Light-transmitting electrode 2, conductive polymer film 3 such as polythiophene, fullerene polymer film 4 forming a heterojunction with this conductive polymer film, and counter electrode 5 made of aluminum or the like. The layers are preferably laminated in this order. Further, as shown in FIG. 1B, an active layer 6 such as carbon nanotube or phthalocyanine is interposed as a carrier generation layer between the conductive polymer film 3 and the fullerene polymer film 4. preferable. Here, each thickness of the conductive polymer film 3, the active layer 6, and the fullerene polymer film 4 may be 0.1 to 50 nm (preferably 5 to 20 nm) (hereinafter the same).

ただし、図2(C)及び(D)に示すごとく、導電性高分子膜3とフラーレン重合体膜4とが互いに入れ替わったヘテロ接合構造体も電荷移動が可能であり、本発明の範囲に含まれる。   However, as shown in FIGS. 2C and 2D, a heterojunction structure in which the conductive polymer film 3 and the fullerene polymer film 4 are interchanged with each other can also perform charge transfer, and is included in the scope of the present invention. It is.

前記導電性有機膜は電子供与性を有しており、さらには共役π電子系を含むP型の導電性高分子から形成されていることが望ましい。その好ましい具体例を幾つか挙げると、ポリビニルカルバゾール、ポリ(p−フェニレン)−ビニレン、ポリアニリン、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピリジン、ポリビニルアルコール、ポリチオフェン、ポリフルオレン及びポリパラフェニレンなど、或いはこれらの構成モノマーの誘導体からなるポリマーがある。   The conductive organic film preferably has an electron donating property and is preferably formed of a P-type conductive polymer containing a conjugated π electron system. Some preferred specific examples thereof include polyvinyl carbazole, poly (p-phenylene) -vinylene, polyaniline, polyethylene oxide, polyvinyl pyridine, polyvinyl alcohol, polythiophene, polyfluorene and polyparaphenylene, and derivatives of these constituent monomers. There is a polymer consisting of

なお、この導電性有機膜には、その導電性を制御するために、硫酸根等をはじめ公知のドーパントが添加されていてもよい。   In addition, in order to control the electroconductivity, this conductive organic film may be added with a known dopant such as sulfate radical.

前記フラーレン重合体膜は電子受容性の薄膜として機能し、好ましくはC60の重合体及び/又はC70の重合体から構成され、例えば図4〜図10や図12〜図31に示すものや、図32及び図33に示すものが例示される。ただし、後述するようにこれらの重合体に限定する必要はない。このフラーレン重合体膜は、図34に示すフラーレン蒸着膜に比べ、フラーレン分子間が共有結合によって密に結合していることが特徴的である。 The fullerene polymer film functions as an electron-accepting thin film and is preferably composed of a C 60 polymer and / or a C 70 polymer, such as those shown in FIGS. 4 to 10 and FIGS. 32 and FIG. 33 are exemplified. However, it is not necessary to limit to these polymers so that it may mention later. This fullerene polymer film is characterized in that the fullerene molecules are closely bonded by covalent bonds as compared with the fullerene vapor deposition film shown in FIG.

また、好ましく設けられる前記活性層はキャリアの発生層であり、その材料としては、π電子系を有する色素、金属錯体、導電性高分子、フラーレン分子、及びその化学修飾された誘導体、単層や多層のカーボンナノチューブ等の単体もしくは複合体、などが挙げられる。上記色素としてはシアニン色素、フタロシアニン及びその金属錯体、あるいはポルフィリンやその金属錯体などがある。   The active layer preferably provided is a carrier generation layer, and the material thereof includes a dye having a π electron system, a metal complex, a conductive polymer, a fullerene molecule, and a chemically modified derivative thereof, a single layer, Examples thereof include simple substances such as multi-walled carbon nanotubes or composites. Examples of the dye include a cyanine dye, phthalocyanine and a metal complex thereof, or porphyrin and a metal complex thereof.

前記光透過性電極の材料としては、一般的に前記したITO(インジウム酸化物にスズをドープしたもの)が好ましいが、これ以外にも、金、銀、白金、ニッケルなどの薄膜も使用できる。   As the material of the light transmissive electrode, ITO (indium oxide doped with tin) is generally preferable, but thin films such as gold, silver, platinum, and nickel can also be used.

また、前記対向電極の材料としては、アルミニウム、マグネシウム、インジウムなどの金属の1種又はその合金、あるいはITOなどがある。   Further, the material of the counter electrode includes one kind of metal such as aluminum, magnesium and indium or an alloy thereof, or ITO.

一方、前記電荷移動型ヘテロ接合構造体をつくるための本発明の製造方法は、基本的に光透過性電極の形成工程、導電性有機膜の形成工程、フラーレン重合体膜の形成工程及び対向電極の形成工程からなるが、必ずしもこれらの工程の順序にとらわれない。ただし、前記フラーレン重合体膜を同定してから、他の構成層の形成を行うことが必要である。さらに、上記光透過性電極や対向電極に基板を取付ける工程とか、あるいは活性層を介在させる工程等が、必要に応じて付加される。   On the other hand, the manufacturing method of the present invention for producing the charge transfer heterojunction structure basically includes a light transmissive electrode forming step, a conductive organic film forming step, a fullerene polymer film forming step, and a counter electrode. However, it is not necessarily limited to the order of these steps. However, it is necessary to form another constituent layer after identifying the fullerene polymer film. Furthermore, a step of attaching a substrate to the light transmissive electrode or the counter electrode, a step of interposing an active layer, or the like is added as necessary.

前記同定は、いずれも非破壊的分光法であるラマン法及びネグザフス法を併用して行うのが最も好ましい。これらのいずれかを欠いては、同定法として不十分となる。   The identification is most preferably performed by using both the Raman method and the Negzaphs method, both of which are non-destructive spectroscopy. Absence of either of these is insufficient as an identification method.

同定の具体的作業としては、フラーレン重合体の構造、重合度、アモルファス化、酸化、及び高電圧印加による絶縁破壊、などの評価であり、これらの評価の結果はフラーレン重合体膜の同定だけでなく、重合条件の制御等の如き重合体膜の物性の制御に役立てることができる。   Specific work of identification includes evaluation of the structure of fullerene polymer, degree of polymerization, amorphization, oxidation, and dielectric breakdown due to application of high voltage. The result of these evaluations is only identification of fullerene polymer film. However, it can be used for controlling the physical properties of the polymer film such as controlling the polymerization conditions.

前記光透過性電極の形成工程では、同電極を単独に形成するよりも、それを基板上に形成するのが一般的であり、前述したITOなどの電極材料を基板上に蒸着やスパッタリング等の手法を用いて製膜する。   In the step of forming the light-transmitting electrode, it is common to form the electrode on the substrate rather than forming the electrode alone. The electrode material such as ITO described above is deposited on the substrate such as vapor deposition and sputtering. A film is formed using a technique.

ITOに替えて他の材料、たとえば金などの安定な金属材料の薄膜を用いるときは、これを基板上により薄く製膜して、光透過性を確保することが重要となる。なお、光透過性電極の形状やパターンは、マスクその他の公知の手段により自由に工夫できる。   When using a thin film of another material, for example, a stable metal material such as gold, instead of ITO, it is important to form a thin film on the substrate to ensure light transmittance. The shape and pattern of the light transmissive electrode can be freely devised by a mask or other known means.

前記導電性有機膜(又はフラーレン重合体膜)は、光透過性電極の上に形成される(なお、フラーレン重合体膜を光透過性電極上に形成する場合は、導電性有機膜を用いる場合と逆にすればよいので、以下、説明を割愛する)。   The conductive organic film (or fullerene polymer film) is formed on the light transmissive electrode (in the case where the fullerene polymer film is formed on the light transmissive electrode, the conductive organic film is used). (The explanation is omitted below.)

この形成工程では、前記光透過性電極上に、電子供与性を有する有機低分子化合物の蒸着膜やプラズマ重合体膜を形成する。   In this forming step, a vapor-deposited film or plasma polymer film of an organic low molecular compound having electron donating properties is formed on the light transmissive electrode.

すなわち、高分子物質の単量体やπ電子を含む有機低分子化合物を気化させ、この気体に比較的低エネルギーの高周波プラズマ、紫外線、電子線を照射すると、前記光透過性電極上に導電性有機膜を形成することができる。   That is, when a high molecular weight monomer or a low molecular weight organic compound containing π electrons is vaporized and the gas is irradiated with relatively low energy high frequency plasma, ultraviolet rays, or an electron beam, a conductive property is formed on the transparent electrode. An organic film can be formed.

こうしたπ共役有機低分子の蒸着膜やプラズマ重合膜は少なくとも10-9S/cm程度以上の導電性を有する。また後述するフラーレン重合体膜は電子受容性の薄膜として機能することから、ここに言う有機低分子の蒸着膜やプラズマ重合体膜は、電子供与性薄膜として機能する必要がある。 Such a π-conjugated organic low-molecular vapor-deposited film or plasma polymerized film has a conductivity of at least about 10 −9 S / cm. Further, since the fullerene polymer film described later functions as an electron-accepting thin film, the organic low-molecular vapor-deposited film and the plasma polymer film described here need to function as an electron-donating thin film.

前記低分子有機化合物としては、具体的にはエチレンやアセチレン等のπ共役低分子やベンゼン、ナフタレン、アントラセンのようなカタ縮合有機化合物、ペリレン、コロネンのようなペリ縮合芳香族化合物、あるいはこれら化合物の窒素や酸素、硫黄のようなヘテロ原子誘導体等が含まれる。また、例えば酸素、硫黄、セレン、テルル等は有機骨格系の中にヘテロ原子として組み込むことができるが、これらの元素は通常2電子をπ共役系に供給することから、例えばベンゼンと等π電子系となる酸素や硫黄のヘテロ環化合物としてはフランやチオフェンなどがある。さらにこれら元素の一個が6員環に組み込まれたり、2個が5員環に組み込まれた場合には、π電子系が4n+2則に照して過剰に存在するために、強い電子供与性化合物となる。たとえばテトラチアフルバレンが、そのような強い電子供与性化合物の典型例である。このような電子供与性の強い有機化合物の蒸着薄膜やプラズマ重合体膜は、後述する電子受容性フラーレン重合体膜とヘテロ接合を形成して、より効果的に光誘起による電荷移動をおこすことができる。   Specific examples of the low molecular organic compounds include π-conjugated low molecules such as ethylene and acetylene, catacondensed organic compounds such as benzene, naphthalene and anthracene, pericondensed aromatic compounds such as perylene and coronene, or these compounds And heteroatom derivatives such as nitrogen, oxygen and sulfur. In addition, for example, oxygen, sulfur, selenium, tellurium and the like can be incorporated as heteroatoms in the organic skeleton system, but these elements normally supply two electrons to the π-conjugated system. Examples of the heterocyclic compound of oxygen or sulfur used as the system include furan and thiophene. In addition, when one of these elements is incorporated into a 6-membered ring or when two are incorporated into a 5-membered ring, the π electron system is excessively present according to the 4n + 2 rule, and thus a strong electron-donating compound. It becomes. For example, tetrathiafulvalene is a typical example of such a strong electron donating compound. Such a thin film or plasma polymer film of an organic compound having a strong electron donating property can form a heterojunction with an electron accepting fullerene polymer film, which will be described later, to cause more effective photoinduced charge transfer. it can.

前記導電性有機膜の形成材料を、ポリマーの具体例で説明すると、先に挙げたポリビニルカルバゾールやポリチオフェンなどの外に、下記のような高分子物質もしくはその誘導体が使用でき、これらは2種以上を混合して用いることもできる。   The material for forming the conductive organic film will be described with reference to specific examples of the polymer. In addition to the above-mentioned polyvinyl carbazole and polythiophene, the following polymer substances or derivatives thereof can be used. Can also be used in combination.

即ち、ポリ(3−アルキルチオフェン)、ポリ〔2−メトキシ−5−(2’−エチルヘクソキシ)−p−フェニレン〕−ビニレン、ポリ〔2−メトキシ−5−(2’−エチルヘクソキシ)−1,4−パラフェニレンビニレン、ポリ(3−アルキルチオフェン)、ポリ(9,9−ジアルキルフルオレン)、ポリパラフェニレン、ポリ(2,5−ジヘプチロキシ−1,4−フェニレン)、ポリフェニレン、ポリアニリン、ポリ(p−フェニレン)、ポリエチレンオキシド、ポリ(2−ビニルピリジン)、ポリ(ビニルアルコール)などである。また、これら高分子化合物のモノマーやπ電子系を含む有機化合物のガス雰囲気において、比較的低エネルギーの高周波プラズマや紫外線、X線、電子線等の照射による重合を行って、高導電性有機薄膜を形成することも可能である。   That is, poly (3-alkylthiophene), poly [2-methoxy-5- (2′-ethylhexoxy) -p-phenylene] -vinylene, poly [2-methoxy-5- (2′-ethylhexoxy) -1,4 -Paraphenylene vinylene, poly (3-alkylthiophene), poly (9,9-dialkylfluorene), polyparaphenylene, poly (2,5-diheptyloxy-1,4-phenylene), polyphenylene, polyaniline, poly (p- Phenylene), polyethylene oxide, poly (2-vinylpyridine), poly (vinyl alcohol), and the like. Highly conductive organic thin films are polymerized by irradiation with relatively low energy high-frequency plasma, ultraviolet rays, X-rays, electron beams, etc. in a gas atmosphere of monomers of these polymer compounds or organic compounds containing a π-electron system. It is also possible to form

次に、前述のように形成した導電性有機膜上にフラーレン重合体膜を下記のようにして形成する。   Next, a fullerene polymer film is formed on the conductive organic film formed as described above as follows.

まず、原料としてのフラーレン分子は、C60、C70、高次フラーレンが使用でき、これらはそれぞれ単独に、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。特に好ましいのは前述したC60フラーレンか、C70フラーレンか、又はこれらの混合物であり、これらにはさらにC70、C78、C80、C82、C84などの高次フラーレンが含まれていてもよい。 First, C 60 , C 70 , and higher order fullerene can be used as the fullerene molecule as a raw material, and these can be used alone or as a mixture of two or more. Particularly preferred are the aforementioned C 60 fullerenes, C 70 fullerenes, or mixtures thereof, which further include higher order fullerenes such as C 70 , C 78 , C 80 , C 82 and C 84. May be.

これらのフラーレン分子は、たとえば図35に示すような装置を用いて炭素電極のアーク放電法により製造することができる。   These fullerene molecules can be produced by, for example, an arc discharge method of a carbon electrode using an apparatus as shown in FIG.

この装置の反応容器8内には、交流又は直流電源9に接続された一対の炭素電極、たとえばグラファイト製対向電極10a、10bが取付けられている。まず、反応容器8内を真空ポンプで排気口11bから脱気したのち、低圧の不活性ガス(ヘリウム、アルゴン等)を導入口11aから導いて、反応容器8内に満たす。   In the reaction vessel 8 of this apparatus, a pair of carbon electrodes connected to an AC or DC power source 9, for example, counter electrodes 10a and 10b made of graphite are attached. First, after degassing the inside of the reaction vessel 8 from the exhaust port 11b with a vacuum pump, a low-pressure inert gas (helium, argon, etc.) is introduced from the introduction port 11a to fill the reaction vessel 8.

そして、対向電極10a、10bの端部を、間隙を介して対向させ、直流電源9から所定の電流、電圧を印加し、対向電極10a、10bの端部を所定の時間だけアーク放電の状態に維持する。   Then, the ends of the counter electrodes 10a and 10b are opposed to each other through a gap, a predetermined current and voltage are applied from the DC power supply 9, and the ends of the counter electrodes 10a and 10b are brought into an arc discharge state for a predetermined time. maintain.

このアーク放電により対向電極10a、10bは気化し、反応容器8の内壁面に取付けられた基板12上に煤(スス)が次第に付着するようになる。この付着量が増えてきたら、反応容器8を冷却し、基板12を外に出すか、あるいは掃除機などを用いて、ススを回収する。   Due to the arc discharge, the counter electrodes 10 a and 10 b are vaporized, and soot is gradually attached on the substrate 12 attached to the inner wall surface of the reaction vessel 8. When the adhesion amount increases, the reaction vessel 8 is cooled and the substrate 12 is taken out or the soot is collected by using a vacuum cleaner or the like.

この煤はC60やC70を始め種々のフラーレン分子を含有しており、条件次第では約10%以上ものフラーレン分子を含むことがある。 This soot contains various fullerene molecules including C 60 and C 70, and may contain about 10% or more fullerene molecules depending on conditions.

60やC70などのフラーレンは、この煤からトルエンやベンゼン、二硫化炭素などのπ電子系の溶媒を用いて抽出できる。この段階を経て得られるフラーレンは粗製フラーレンと呼ばれ、さらにそれを例えばカラムクロマトグラフィーにかけると、C60及びC70をそれぞれ単体として分離精製することができる。 Fullerenes such as C 60 and C 70 can be extracted from this soot using a π-electron solvent such as toluene, benzene, or carbon disulfide. The fullerene obtained through this stage is called crude fullerene, and when it is further subjected to, for example, column chromatography, C 60 and C 70 can be separated and purified as simple substances.

このようにして得られたフラーレン分子は、フラーレン重合体の製膜に際し、原料となるものである。その重合法または製膜法としては下記の光重合法、電子線照射法、プラズマ重合法、マイクロ波重合法及び電解重合法、などが挙げられる。   The fullerene molecules thus obtained serve as a raw material when forming a fullerene polymer. Examples of the polymerization method or film forming method include the following photopolymerization method, electron beam irradiation method, plasma polymerization method, microwave polymerization method and electrolytic polymerization method.

光重合法:
この重合法は、装置としてフラーレン分子を気化させる抵抗加熱等の加熱手段と、窓を通して紫外線等の光を照射する照射手段とを備えたものを使用し、フラーレンを蒸着しつつ紫外光の照射を一定時間続けることによって、基板上にフラーレン重合体膜を形成するものである。この際、フラーレン分子は光によって励起され、この励起状態を経て重合する。
Photopolymerization method:
This polymerization method uses a heating device such as resistance heating that vaporizes fullerene molecules as an apparatus and an irradiation device that irradiates light such as ultraviolet rays through a window, and irradiates ultraviolet light while depositing fullerenes. By continuing for a certain time, a fullerene polymer film is formed on the substrate. At this time, fullerene molecules are excited by light and polymerize through this excited state.

なお、上記のように蒸着の過程ではなく、いったん蒸着膜を形成したのちこれに紫外線等を照射しても重合が起るが、この場合は膜の表層のみが重合体化し、膜内部は重合しないことがあるから、注意すべきである(本発明者による実験でも、紫外線の照射でフラーレン蒸着膜の表面にヒビ割れ模様の生じ得ることが、顕微鏡で観察されている)。   In addition, polymerization does not occur in the process of vapor deposition as described above, but once the vapor deposition film is formed and then irradiated with ultraviolet rays or the like, polymerization occurs. In this case, only the surface layer of the film is polymerized, and the inside of the film is polymerized. However, it should be noted (even in the experiment by the present inventors, it has been observed with a microscope that a cracked pattern can occur on the surface of the fullerene deposited film by irradiation with ultraviolet rays).

電子線照射法:
これは前記紫外線等の光に替えて電子銃から発射される電子線を使用するものである。重合の原理は前記光重合法と同様で、フラーレン分子は電子線により励起されて、この励起状態を経て重合する。
Electron beam irradiation method:
This uses an electron beam emitted from an electron gun instead of the light such as ultraviolet rays. The principle of polymerization is the same as in the photopolymerization method, and fullerene molecules are excited by an electron beam and polymerize through this excited state.

プラズマ重合法:
高周波プラズマ法、直流プラズマ法、ECRプラズマ法等があるが、ここでは図面を参照して、普及度の高い高周波プラズマ法について説明する。
Plasma polymerization method:
There are a high-frequency plasma method, a direct-current plasma method, an ECR plasma method, and the like. Here, a high-frequency plasma method having a high degree of spread will be described with reference to the drawings.

図36は高周波プラズマ重合装置を示すもので、真空容器13内に1対の電極14a、14bが対向配置され、これらは外部の高周波電源15に接続されており、一方の電極14b上にはフラーレン重合体膜を付着させるための基板(すなわち、前記導電性高分子膜を光透過性電極上に形成した基板)16が、セットされている。   FIG. 36 shows a high-frequency plasma polymerization apparatus, in which a pair of electrodes 14a and 14b are arranged opposite to each other in a vacuum vessel 13, and these are connected to an external high-frequency power source 15, and fullerene is placed on one electrode 14b. A substrate 16 for attaching a polymer film (that is, a substrate on which the conductive polymer film is formed on a light transmitting electrode) 16 is set.

また、この真空容器13内には、原料のフラーレン分子を収納するモリブデンボート等の容器17が配設され、これは外部の抵抗加熱用電源18に接続されている。   Further, a container 17 such as a molybdenum boat for storing the fullerene molecules as a raw material is disposed in the vacuum container 13, and this is connected to an external resistance heating power source 18.

このような構造の重合装置において、まず排気口20より脱気した真空容器13内にたとえば低圧の不活性ガス(アルゴンその他)を導入口19から供給し、器内を同ガスで満たしてから容器17に通電してこれを加熱し、中のフラーレン分子を気化させる。そして、高周波電源15から高周波電圧を印加して電極間に高周波プラズマを発生させるとともに前記フラーレンの気体中に照射すると、基板16上にπ電子骨格を保持したフラーレン重合体の膜を形成することができる。   In the polymerization apparatus having such a structure, first, for example, a low-pressure inert gas (argon or the like) is supplied from the introduction port 19 into the vacuum vessel 13 deaerated from the exhaust port 20, and the vessel is filled with the same gas before the vessel is filled. 17 is energized and heated to vaporize the fullerene molecules therein. When a high-frequency voltage is applied from the high-frequency power source 15 to generate high-frequency plasma between the electrodes and the fullerene gas is irradiated, a fullerene polymer film holding a π-electron skeleton can be formed on the substrate 16. it can.

なお、高周波電源15は直流電源に替えてもよいし(直流プラズマ法)、またこれらの電源を駆動せずに(従ってプラズマは発生しない)容器17を加熱した場合は、フラーレンは重合しない替わりにその蒸着膜が基板16上に形成される。   The high-frequency power source 15 may be replaced with a DC power source (DC plasma method), or when the container 17 is heated without driving these power sources (thus generating no plasma), the fullerene is not polymerized. The deposited film is formed on the substrate 16.

基板16の温度は、余り高くするとフラーレン重合体膜の付着量が低下するので、通常は300℃以下に保たれ、100W程度のプラズマパワーなら、70℃を越えることは殆どない。   If the temperature of the substrate 16 is too high, the adhesion amount of the fullerene polymer film is lowered. Therefore, it is usually kept at 300 ° C. or less, and if the plasma power is about 100 W, it hardly exceeds 70 ° C.

図37にマイクロ波重合装置を示す。これは原料供給源としてフラーレン分子を収納するモリブデンボート等の容器21と、この容器21から気化、飛翔するフラーレン分子にマイクロ波22を作用させるマイクロ波作用部23と、このマイクロ波22による誘起(励起、非平衡プラズマ化)によってフラーレン重合体を生成させ、それを気体24上に製膜する反応室25と、前記マイクロ波22を発生させるマイクロ波発生装置とからなる。   FIG. 37 shows a microwave polymerization apparatus. This includes a vessel 21 such as a molybdenum boat that contains fullerene molecules as a raw material supply source, a microwave action unit 23 that causes the microwave 22 to act on the fullerene molecules that are vaporized and fly from the vessel 21, and induction by the microwave 22 ( A fullerene polymer is generated by excitation and non-equilibrium plasma), and a reaction chamber 25 for forming a fullerene polymer on a gas 24 and a microwave generator for generating the microwave 22 are formed.

容器21近傍の重合装置の内壁には、アルゴンガス等のキャリアガスを装置内に導入するためのガス導入管26が開口している。このキャリアガス27は、フラーレン分子28を随伴しこれを反応室25内の基体24上に導くキャリア能を有するだけでなく、次のようにして基板24の表面を改質する能力をも備えている。   A gas introduction pipe 26 for introducing a carrier gas such as argon gas into the apparatus is opened on the inner wall of the polymerization apparatus near the container 21. This carrier gas 27 not only has a carrier ability to accompany fullerene molecules 28 and guide them onto the substrate 24 in the reaction chamber 25, but also has the ability to modify the surface of the substrate 24 as follows. Yes.

すなわち、フラーレン分子28を装置内へ供給する前に先ずキャリアガス27を導入し、それをマイクロ波作用部23にて励起させ、反応室25内の基体24の表面にボンバードさせると、励起されたキャリアガス27により基体24の表面がエッチングされて、その上に付着するフラーレン重合体膜との接着性もしくは密着性が、向上するのである。   That is, before supplying the fullerene molecule 28 into the apparatus, the carrier gas 27 was first introduced, and excited by the microwave action unit 23 and bombarded on the surface of the substrate 24 in the reaction chamber 25. The surface of the substrate 24 is etched by the carrier gas 27, and the adhesion or adhesion with the fullerene polymer film adhering to the surface is improved.

前記マイクロ波発生装置(マイクロ波ユニット)は、マイクロ波発振源29と、アイソレータ30と、パワーメータ31と、スリースタブチューナー32と、反射キャビティ34とを、導波管35によって接続した構造を有する。これらの構成部のうち、マイクロ波発振源29はマグネトロン等の発振源からなり、アイソレータ30はマイクロ波の整流能を有し、パワーメータ31はマイクロ波のパワーの検出能を有し、スリースタブチューナー32はマイクロ波の発振数を調節しその整合能を有する装置、そして反射キャビティ34は、マイクロ波を反射するとともに波長を整合することによって、マイクロ波作用部23でのマイクロ波を定常波にするための装置である。   The microwave generator (microwave unit) has a structure in which a microwave oscillation source 29, an isolator 30, a power meter 31, a sli tab tuner 32, and a reflection cavity 34 are connected by a waveguide 35. . Among these components, the microwave oscillation source 29 is composed of an oscillation source such as a magnetron, the isolator 30 has a microwave rectification capability, the power meter 31 has a microwave power detection capability, and a three stub. The tuner 32 adjusts the number of oscillations of the microwave and has a matching capability, and the reflection cavity 34 reflects the microwave and matches the wavelength, thereby making the microwave in the microwave action unit 23 a stationary wave. It is a device for.

反応室25としてはキャリアガス27とフラーレン分子28の流路である共振管36より大径に構成することができ、共振管36のマイクロ波作用部23で効率よく且つ高密度に誘起されたフラーレン分子を、支持体(図示せず)に設けられたシリコンなどの基板24上に導き、そこにフラーレン重合体膜を均一に製膜させることができる。なお、反応室25には真空排気系37が設けられていて、反応室25内を所定の圧力に保持できるようになっている。   The reaction chamber 25 can be configured to have a larger diameter than the resonance tube 36 that is a flow path of the carrier gas 27 and the fullerene molecules 28, and the fullerene efficiently and densely induced by the microwave action portion 23 of the resonance tube 36. Molecules are guided onto a substrate 24 such as silicon provided on a support (not shown), and a fullerene polymer film can be uniformly formed thereon. The reaction chamber 25 is provided with an evacuation system 37 so that the inside of the reaction chamber 25 can be maintained at a predetermined pressure.

基板24を取付ける前記支持体は導電性でも絶縁性であってもよく、また加熱手段(通電手段など)を備えていてもよい。   The support to which the substrate 24 is attached may be conductive or insulating, and may be provided with a heating means (such as an energizing means).

このようなマイクロ波重合装置を使用するときは、まず反応室25の内部をたとえばアルゴンガスで0.05〜1Torr程度に保持し、容器21を加熱手段により加熱して中のフラーレン分子を気化させる。そして、これにマイクロ波作用部23にてたとえば13、56MHz程度の高周波プラズマを照射する。このようにすると、フラーレン分子は励起されて、基体24上にフラーレン重合体膜が形成される。   When using such a microwave polymerization apparatus, first, the inside of the reaction chamber 25 is held at, for example, about 0.05 to 1 Torr with argon gas, and the container 21 is heated by heating means to vaporize fullerene molecules therein. . Then, this is irradiated with high-frequency plasma of, for example, about 13 or 56 MHz by the microwave action unit 23. In this way, fullerene molecules are excited and a fullerene polymer film is formed on the substrate 24.

基体24の温度は通常、300℃以下でよい。300℃を超えると、フラーレン重合体膜の付着量が低下することがある(なお、バイアスをかけると、フラーレン重合体膜が付着し易くなる)。製膜時の基体24の温度を上記通常範囲に維持するのに、特別な制御は必要としない。たとえば、マイクロ波のパワーが100W程度であれば、100℃を超えることは殆どない。ただし、基体24をマイクロ波作用部23に置くようなことをすると、1000℃付近まで昇温することがある。   The temperature of the substrate 24 may normally be 300 ° C. or lower. If the temperature exceeds 300 ° C., the amount of fullerene polymer film attached may decrease (when a bias is applied, the fullerene polymer film tends to adhere). No special control is required to maintain the temperature of the substrate 24 during film formation in the normal range. For example, if the power of the microwave is about 100 W, the temperature hardly exceeds 100 ° C. However, if the substrate 24 is placed on the microwave action part 23, the temperature may rise to around 1000 ° C.

電解重合法:
図38は電解重合装置を示しており、電解セル38には、ポテンシャルスタット41に接続された陽極としての電極39と陰極としての電極40とが設けられるほか、同じくポテンショスタット41に参照電極42が接続されていて、電極39と40との間に所定の電気ポテンシャルが印加されるようになっている。
Electropolymerization method:
FIG. 38 shows an electrolytic polymerization apparatus. The electrolytic cell 38 is provided with an electrode 39 as an anode and an electrode 40 as a cathode connected to a potential stat 41, and a reference electrode 42 is also provided on the potentiostat 41. They are connected so that a predetermined electric potential is applied between the electrodes 39 and 40.

また、電解セル38には、非水溶媒43から酸素ガス等を除去するために、不活性ス44を導入するガス導入管45が設けられている。さらに、電解セル38の下部には、同セル内の攪拌子(図示せず)を動かすための、マグネックスターラー46が取付けてある。   Further, the electrolytic cell 38 is provided with a gas introduction pipe 45 for introducing inert gas 44 in order to remove oxygen gas and the like from the non-aqueous solvent 43. Further, a magnet neck stirrer 46 for moving a stirrer (not shown) in the cell is attached to the lower part of the electrolysis cell 38.

このような構造を有する電解重合装置を稼働するには、電解セル38内に、原料となるフラーレン分子と、電解を促進させるための支持電解質と、非水溶媒43とを仕込み、ポテンショスタット41を動作させて、電極39、40間に所定の電気エネルギーを作用させる。すると、フラーレン分子はアニオンラジカルとなり、フラーレン重合体が負電極40上に薄膜及び/又は沈澱物として形成される。なお、沈澱物として得られた球状フラーレン重合体は、濾過や乾燥等の手段により容易に回収することが可能であり、回収後はそれを固めたり、あるいは樹脂に練り込んだりして、薄膜に形成することができる。   In order to operate the electropolymerization apparatus having such a structure, a fullerene molecule as a raw material, a supporting electrolyte for promoting electrolysis, and a nonaqueous solvent 43 are charged in an electrolytic cell 38, and a potentiostat 41 is provided. In operation, predetermined electrical energy is applied between the electrodes 39 and 40. Then, the fullerene molecule becomes an anion radical, and the fullerene polymer is formed on the negative electrode 40 as a thin film and / or a precipitate. The spherical fullerene polymer obtained as a precipitate can be easily recovered by means such as filtration and drying, and after recovery, it is hardened or kneaded into a resin to form a thin film. Can be formed.

なお、電極39及び40としては、金属電極が望ましいが、他の導電性材料で形成されていてもよく、また、ガラスやシリコン等の基板上に金属などの導電性材料を蒸着したものを用いてもよい。参照電極42の材料についても、支持電解質にも依存するが、特定の金属に限定する必要はない。   The electrodes 39 and 40 are preferably metal electrodes, but may be formed of other conductive materials, and those obtained by vapor-depositing a conductive material such as metal on a substrate such as glass or silicon are used. May be. The material of the reference electrode 42 also depends on the supporting electrolyte, but need not be limited to a specific metal.

不活性ガス44による酸素等の除去は、通常、ヘリウムガスのバブリングによって行うことができるが、ヘリウムガスの代わりに他の不活性ガス、たとえば窒素やアルゴンなどを用いてもよい。なお、酸素等の除去を徹底させるには、電解前に予め脱水剤を使用し、さらに真空脱気を行ってそれぞれの溶媒をアンプルに保存し、真空ラインを通じて電解セル38中に導入するようにするとよい。   Removal of oxygen or the like by the inert gas 44 can be normally performed by bubbling of helium gas, but other inert gas such as nitrogen or argon may be used instead of the helium gas. In order to thoroughly remove oxygen and the like, a dehydrating agent is used in advance before electrolysis, vacuum deaeration is performed, each solvent is stored in an ampule, and introduced into the electrolytic cell 38 through a vacuum line. Good.

いずれにせよ、電解質溶液から酸素等を除去するのは、酸素等がフラーレン重合体膜中に取込まれるのを防ぎ、常磁性中心の発現を抑制し、以って、フラーレン重合体膜の安定性を向上させるために他ならない。   In any case, oxygen and the like are removed from the electrolyte solution by preventing oxygen and the like from being taken into the fullerene polymer film and suppressing the expression of paramagnetic centers, thereby stabilizing the fullerene polymer film. It is none other than to improve sex.

前記支持電解質としては、例えば、テトラブチルアンモニウムパークロライド、リチウムテトラフルオロボラート(LiBF4)、リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)、過酸化ナトリウム(NaClO4)、LiCF3SO3、リチウムヘキサフルオロアーセナイト(LiAsF6)などを使用することができるが、これらの支持電解質を使用した場合、得られる球状炭素重合体は電解質溶液中で沈澱することが多い。 Examples of the supporting electrolyte include tetrabutylammonium perchlorate, lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), sodium peroxide (NaClO 4 ), LiCF 3 SO 3 , lithium hexafluoroacese. Knight (LiAsF 6 ) or the like can be used, but when these supporting electrolytes are used, the resulting spherical carbon polymer often precipitates in the electrolyte solution.

これに対して、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO4)又はtert−ブチルアンモニウムパークロレート塩を用いると、電解重合反応の際の温度にもよるが、電極上に薄膜として球状炭素重合体を得ることができる。 On the other hand, for example, when lithium perchlorate (LiClO 4 ) or tert-butylammonium perchlorate salt is used, a spherical carbon polymer is obtained as a thin film on the electrode, depending on the temperature during the electropolymerization reaction. be able to.

また、本発明では、前記非水溶媒として、フラーレン分子を溶解する第1溶媒と、前記支持電解質を溶解する第2溶媒との混合溶媒を使用することが望ましい。その混合割合は、第1溶媒:第2溶媒=1:10〜10:1(容量比)が望ましい。   In the present invention, it is desirable to use a mixed solvent of a first solvent that dissolves fullerene molecules and a second solvent that dissolves the supporting electrolyte as the non-aqueous solvent. The mixing ratio is desirably the first solvent: second solvent = 1: 10 to 10: 1 (volume ratio).

第1溶媒としては、π電子系を有する極性の低い溶媒(低極性溶媒)を使用することが好ましく、例えば、二硫化炭素(CS2)、トルエン、ベンゼン及びオルトジクロルベンゼンからなる群より選ばれた少なくとも1種の溶媒等が挙げられる。 As the first solvent, it is preferable to use a low-polarity solvent having a π-electron system (low-polarity solvent), for example, selected from the group consisting of carbon disulfide (CS 2 ), toluene, benzene, and orthodichlorobenzene. And at least one kind of solvent.

また、第2溶媒としては、極性が高く、誘電率の大きい溶媒を使用することが好ましく、例えば、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及びジメチルアセトアミドからなる群より選ばれた少なくとも1種の溶媒等が挙げられる。なかでも、アセトニトリルが特に好ましい。   Further, as the second solvent, it is preferable to use a solvent having a high polarity and a large dielectric constant. For example, at least one solvent selected from the group consisting of acetonitrile, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, and dimethylacetamide is used. Can be mentioned. Of these, acetonitrile is particularly preferable.

一般に、フラーレン分子は、二硫化炭素を始めとする前記低極性溶媒にしか溶解せず、n−ヘキサン等の脂肪族系溶媒に対する溶解度さえ極めて低い。当然、極性溶媒には溶解せず、このことがフラーレン分子の電解重合を行う際の最大の問題点である。   In general, fullerene molecules are soluble only in the low-polarity solvent such as carbon disulfide, and the solubility in an aliphatic solvent such as n-hexane is extremely low. Of course, it does not dissolve in a polar solvent, and this is the biggest problem when performing electropolymerization of fullerene molecules.

なぜなら、通常、電解重合で用いられる支持電解質は、水などの極性溶媒にしか溶解しないからである。   This is because the supporting electrolyte usually used in electrolytic polymerization is soluble only in a polar solvent such as water.

フラーレン分子の電解重合を行うには、フラーレン分子と支持電解質の両者を同時に溶解できる溶媒を選択する必要があるが、この条件を満たす溶媒は、単体では存在しない。少なくとも、上記溶解性能をそれぞれ備えた個々の溶媒からなる、混合溶媒が必要である。   In order to perform electropolymerization of fullerene molecules, it is necessary to select a solvent that can dissolve both fullerene molecules and the supporting electrolyte at the same time, but there is no single solvent that satisfies this condition. At least a mixed solvent composed of individual solvents each having the above-mentioned dissolution performance is required.

しかし、かかる混合溶媒でありさえすればどんなものでもよいかと言うと、必ずしもそうとは限らない。単に、このような混合溶媒を用いただけでは、フラーレン分子及び支持電解質のいずれか一方、あるいは両者の溶解度が十分でないことが多いのである。   However, as long as it is such a mixed solvent, what is necessary is not necessarily the case. By simply using such a mixed solvent, the solubility of either the fullerene molecule or the supporting electrolyte or both is often insufficient.

たとえば、一般に水を始めとする水系溶媒は塩である支持電解質の良好な溶媒として知られているが、フラーレン分子を溶解できる低極性溶媒とは十分溶解しないので、両者からなる混合溶媒は、好ましいとは言えない。   For example, water-based solvents such as water are generally known as good solvents for supporting electrolytes that are salts, but are not sufficiently soluble with low-polarity solvents that can dissolve fullerene molecules, so a mixed solvent composed of both is preferable. It can not be said.

本発明者の研究によれば、本発明に用いる好ましい混合溶媒としては、第1溶媒と第2溶媒とからなり、このうち第1溶媒としては低極性溶媒を用い、第2溶媒としては極性が高く、かつ誘電率の大きな有機溶媒を用いることが望ましい。   According to the inventor's research, the preferred mixed solvent used in the present invention is composed of a first solvent and a second solvent. Among these, a low polarity solvent is used as the first solvent, and polarity is used as the second solvent. It is desirable to use an organic solvent having a high dielectric constant and a high dielectric constant.

この第2溶媒の具体例については前記のとおりであるが、中でも最も適切なのはアセトニトリルである。このアセトニトリルは、電解セル中で支持電解質の存在下に有機物のラジカルを調製する際に、よく用いられる溶媒である。   Specific examples of the second solvent are as described above, and most suitable is acetonitrile. Acetonitrile is a solvent often used in preparing organic radicals in the presence of a supporting electrolyte in an electrolytic cell.

しかし、本発明では第2溶媒としてこのアセトニトリルに特に限定する必要はなく、前記したようにジメチルホルムアミドやその他の溶媒も、本発明の目的達成に好ましいのである。   However, in the present invention, it is not necessary to specifically limit the second solvent to this acetonitrile, and as described above, dimethylformamide and other solvents are also preferable for achieving the object of the present invention.

以上の方法で得られるフラーレン重合体薄膜は、シリコンやガラス等の単体基板の上、ITO等の透明電巨億基板の上、シリコンやガラス基板上に蒸着やスパッタリング等により製膜された金、白金、アルミニウム等の金属基板の上に、製膜される。あるいは、マスクを用いて金、白金、アルミニウム等を櫛形に蒸着あるいはスパッタリングしたいわゆる櫛形電極の上に製膜される場合もある。さらに、いわゆる電極で挟まれたサンドイッチ構造とすることも可能である。このような構造体を得るには、ガラスあるいはシリコン基板等に製膜した金属電極の上あるいはITOの様な透明電極の上に、フラーレン重合体を所望の厚さで製膜してから、そのフラーレン重合膜の上にマスクを置いて、さらに金、白金あるいはアルミニウム等の金属層あるいはITOの様な透明導電体層をスパッタリングあるいは蒸着などの手法により製膜すればよい。   The fullerene polymer thin film obtained by the above method is a gold film formed on a silicon or glass substrate by vapor deposition or sputtering, on a single substrate such as silicon or glass, on a transparent electric billion substrate such as ITO, A film is formed on a metal substrate such as platinum or aluminum. Alternatively, the film may be formed on a so-called comb-shaped electrode in which gold, platinum, aluminum, or the like is deposited or sputtered in a comb shape using a mask. Furthermore, a sandwich structure sandwiched between so-called electrodes may be used. In order to obtain such a structure, a fullerene polymer is formed in a desired thickness on a metal electrode formed on a glass or silicon substrate or on a transparent electrode such as ITO, A mask is placed on the fullerene polymer film, and a metal layer such as gold, platinum or aluminum or a transparent conductor layer such as ITO may be formed by a technique such as sputtering or vapor deposition.

以上、各種重合法により得られたフラーレン重合体膜の表面は、フラーレンの分子構造が部分的に残存するため、多数の2重結合性の結合が存在する。そのため、様々な方法で表面修飾(表面処理)することが可能である。   As described above, since the molecular structure of fullerene partially remains on the surface of the fullerene polymer film obtained by various polymerization methods, a large number of double bonds exist. Therefore, surface modification (surface treatment) can be performed by various methods.

たとえば、アセチレン、メタン、エタン、プロパン、ブタン、トルエン、ベンゼン、アセトン、アセトニトリル、エタノール、メタノールなどの炭化水素のガスや、酸素、水素、塩素、フッ素などのガスの雰囲気の下で、フラーレン重合体膜をマイクロ波誘起、直流プラズマ、交流プラズマなどの手法を用いて表面修飾することができるし、あるいは又、溶液中で金属錯体や有機ラジカルを利用してフラーレン重合体膜を表面修飾することができる。   For example, fullerene polymer under the atmosphere of hydrocarbon gas such as acetylene, methane, ethane, propane, butane, toluene, benzene, acetone, acetonitrile, ethanol, methanol, and gas such as oxygen, hydrogen, chlorine, fluorine The film can be surface modified using techniques such as microwave induction, direct current plasma, alternating current plasma, or the fullerene polymer film can be surface modified using a metal complex or an organic radical in solution. it can.

このような表面修飾は、目的や用途に応じて、フラーレン重合体膜を改質したり、あるいはそれに特異性を付与するのに有効である。   Such surface modification is effective for modifying the fullerene polymer film or imparting its specificity to the purpose and application.

ところで、フラーレン重合体膜、とくにマイクロ波重合法で得られるフラーレン重合体膜には、ダングリングスピンの問題がある。たとえば、C60及び/又はC70を原料とし、パワーを100Wから数百Wとし、常温でマイクロ波重合を実施すると、およそ1018spings/g程度のダングリングスピンを含むフラーレン重合体膜が得られる。 Incidentally, fullerene polymer films, particularly fullerene polymer films obtained by microwave polymerization, have a dangling spin problem. For example, when C 60 and / or C 70 are used as raw materials, the power is set to 100 W to several hundred W, and microwave polymerization is performed at room temperature, a fullerene polymer film containing dangling spins of about 10 18 spings / g is obtained. It is done.

このダングリングスピンは、フラーレン重合体膜の導電性やバンド構造、あるいは物性の経時的安定性に大きな影響を及ぼす。   This dangling spin has a great influence on the electrical conductivity and band structure of the fullerene polymer film or the temporal stability of physical properties.

このダングリングスピンが形成されるのは、理想的なクロスリンク構造が形成されなかったためと考えらえるが、その含有量は、フラーレン重合体膜を付着させるための基板の温度を調節したり、製膜後に水素プラズマ等の雰囲気にさらすことによって、ある程度減少させることが可能である。その減少の過程は、電子スピン共鳴法による吸収強度の違いから確認することができる。   This dangling spin is thought to be due to the fact that the ideal cross-link structure was not formed, but its content can adjust the temperature of the substrate for attaching the fullerene polymer film, It can be reduced to some extent by exposure to an atmosphere such as hydrogen plasma after film formation. The process of the decrease can be confirmed from the difference in absorption intensity by the electron spin resonance method.

なお、前記各工程を経て得られた光透過性電極−導電性高分子膜−フラーレン重合体膜(あるいは光透過性電極−フラーレン重合体膜−導電性高分子膜)とからなる積層体に対し、本発明では更なる工程として、対向電極を形成することが必要である。   In addition, with respect to a laminate composed of a light transmissive electrode-conductive polymer film-fullerene polymer film (or light transmissive electrode-fullerene polymer film-conductive polymer film) obtained through each of the above steps. In the present invention, it is necessary to form a counter electrode as a further process.

この対向電極は、たとえばITOなどの酸化物の外に、アルミニウム、マグネシウム、インジウムなどの金属、またはこれらの2種以上の金属からなる合金で構成され、蒸着やスパッタリング、電子銃、電解メッキなどの手法を用いて前記フラーレン重合体膜上に薄膜として形成することができる。   This counter electrode is made of, for example, an oxide such as ITO, a metal such as aluminum, magnesium, or indium, or an alloy composed of two or more of these metals, such as vapor deposition, sputtering, electron gun, and electrolytic plating. A thin film can be formed on the fullerene polymer film using a technique.

このようにして得られる本発明のヘテロ接合構造体は、電極間に電子供与性の導電性高分子と、電子受容性のフラーレン重合体膜とが積層されているので、光誘起による電荷移動が可能である。更に言うと、ヘテロ接合薄膜の両側において導電性電極との接合がオーミック接合であり、しかも図39(A)に示すようにヘテロ接合においてエネルギーバンドにステップが存在しない場合は電子とホールの移動がスムーズとなり、太陽電池として機能するのに対し、同図(B)のようにエネルギーバンドにステップが存在する場合は、そこで電子とホールが再結合して光を発生するので、発光ダイオードとして機能する。ステップの有無は前述した電極間の積層体の材料を工夫することにより、調整することができる。   In the heterojunction structure of the present invention thus obtained, an electron-donating conductive polymer and an electron-accepting fullerene polymer film are laminated between electrodes. Is possible. Furthermore, if the junction with the conductive electrode is an ohmic junction on both sides of the heterojunction thin film and there is no step in the energy band at the heterojunction, as shown in FIG. When it has a step in the energy band as shown in the same figure (B), it becomes smooth and functions as a solar cell. Since electrons and holes are recombined there to generate light, it functions as a light emitting diode. . The presence or absence of the step can be adjusted by devising the material of the laminate between the electrodes described above.

本発明においては、ヘテロ接合構造体の各層の形成工程においてフラーレン重合体膜の同定を行ってから、他の構成層の形成を行うことが重要である。   In the present invention, it is important to form other constituent layers after identifying the fullerene polymer film in the step of forming each layer of the heterojunction structure.

すなわち、特にラマン法及びネグザフス法を用いてフラーレン重合体膜を分光学的に吟味することにより、その構造、重合度、アモルファス化、酸化、高電圧印加による絶縁破壊、などに関する知見を得るのである。   That is, by examining the fullerene polymer film spectroscopically using, in particular, the Raman method and the Negzafus method, knowledge on its structure, degree of polymerization, amorphization, oxidation, dielectric breakdown due to application of high voltage, etc. is obtained. .

一般に炭素薄膜の分光学的検討ではラマンスペクトルが用いられる場合が多い。これは電磁波の照射による分極率の変化に基づく振動解析法である。これがよく用いられるのは、炭素材料は一般に赤外光を吸収しやすく、測定が困難だからである。一例として、図40に比較的低温のCVD法で得られたアモルファスカーボンのラマンスペクトルを示す。励起源はアルゴンイオンレーザの514.5nmである。   In general, Raman spectroscopy is often used in spectroscopic studies of carbon thin films. This is a vibration analysis method based on the change in polarizability caused by electromagnetic wave irradiation. This is often used because carbon materials generally absorb infrared light and are difficult to measure. As an example, FIG. 40 shows a Raman spectrum of amorphous carbon obtained by a relatively low temperature CVD method. The excitation source is 514.5 nm of an argon ion laser.

図40のスペクトルは、線幅の大小はあるものの、アモルファスカーボン薄膜の特徴をよく反映したものであり、1350と1600cm−1付近に特徴的な2つのバンドが観測され、それぞれDisorder Band, Graphitic Band と呼ばれている。   The spectrum of FIG. 40 reflects the characteristics of the amorphous carbon thin film, although the line width is large and small, and two characteristic bands are observed around 1350 and 1600 cm-1, respectively. is called.

フラーレン重合体膜を製膜した場合に、上記のようなラマンスペクトルが得られれば、フラーレン重合体ではなくアモルファスカーボンの構造に変化していることが推測される。また1350cmのバンドが多少なりとも観測される場合には、分子間のクロスリンク構造が不十分であること、あるいは多くのダングリング構造が存在していることが予測できる。   If a fullerene polymer film is formed and the above Raman spectrum is obtained, it is presumed that the structure has changed to an amorphous carbon structure rather than a fullerene polymer. Further, when a band of 1350 cm is observed, it can be predicted that the cross-link structure between molecules is insufficient or that many dangling structures exist.

また、一般に周期的構造を有するC60重合体のラマンスペクトルは、多くの特徴的なバンドを有することが知られている〔T.Wagberg,et al.,Appl Phys.A,64.223(1997),A.M.Rao et al.,Phys.Rev.B,55,4766(1997)〕 In general, the Raman spectrum of a C 60 polymer having a periodic structure is known to have many characteristic bands [T. Wagberg, et al., Appl Phys. A, 64.223 (1997), (AMRao et al., Phys. Rev. B, 55, 4766 (1997))

しかしながら、プラズマ重合法や電解重合法等により得られる、ランダムに繋がった重合体のラマンスペクトルに関しては、これまで明確な判断の基準は示されていない。   However, regarding the Raman spectrum of a randomly connected polymer obtained by a plasma polymerization method, an electrolytic polymerization method, or the like, no clear criteria have been shown so far.

一方、ネグザフススペクトルは、炭素薄膜を形成する炭素原子のコア電子(1s電子)から空軌道への遷移を観測するもので、これまで有機高分子薄膜の空軌道または導電帯の状態密度の評価に用いられてきた。   On the other hand, the Negzaphus spectrum is the observation of the transition from the core electrons (1s electrons) of the carbon atoms forming the carbon thin film to the vacant orbit. It has been used for evaluation.

本発明者は上述したラマン法とネグザフス法の併用によってはじめて、これまで実現できなかったフラーレン重合体のより的確な同定が可能になることを知見することができた。   The present inventor was able to find out that the fullerene polymer that could not be realized so far could be more accurately identified only by the combined use of the Raman method and the Negzafus method.

以下、実施の形態に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on embodiments. However, the present invention is not limited to the following embodiments.

例1(光透過性電極(ITO薄膜)のフェルミレベルの測定)
市販の石英ガラスの上にITO薄膜をスパッタリングにより製膜して光透過性電極を形成し、その光電子放出スペクトロスコピィ(PES:Photoelectron Emission Spectro-scopy)を測定し、ITO薄膜のフェルミ表面のレベルを評価した。その結果を図41に示す。
Example 1 (Measurement of Fermi level of light transmissive electrode (ITO thin film))
An ITO thin film is formed on a commercially available quartz glass by sputtering to form a light-transmitting electrode, its photoelectron emission spectroscopy (PES) is measured, and the Fermi surface level of the ITO thin film is measured. Evaluated. The result is shown in FIG.

この測定結果より、ITO薄膜のフェルミレベルは真空レベル下で4.87eVに存在することが明らかとなった。   From this measurement result, it became clear that the Fermi level of the ITO thin film exists at 4.87 eV under the vacuum level.

例2(ポリチオフェン薄膜(導電性有機膜)の製膜とその物性測定)
次に、前記ITO膜の上に市販のポリチオフェン薄膜(硫酸根をドーパントとする)を製膜した。このポリチオフェン薄膜のPESの測定結果を図42に示す。
Example 2 (Formation of polythiophene thin film (conductive organic film) and measurement of its properties)
Next, a commercially available polythiophene thin film (using sulfate radical as a dopant) was formed on the ITO film. The measurement result of PES of this polythiophene thin film is shown in FIG.

この測定結果から、ポリチオフェン薄膜の低電子帯エッジレベルは、真空レベル下で4.82eVに存在することが明らかとなった。   From this measurement result, it is clear that the low electron band edge level of the polythiophene thin film exists at 4.82 eV under the vacuum level.

また、ポリチオフェン薄膜を石英ガラス上に形成し、その電流−電圧(VI)特性を調べた。図43に、VI特性、及び光量子エネルギーによる吸収系数の測定結果を示す。   A polythiophene thin film was formed on quartz glass, and the current-voltage (VI) characteristics were examined. FIG. 43 shows the measurement results of the VI characteristics and the number of absorption systems by photon energy.

ITO薄膜と金薄膜の上にポリチオフェン薄膜をそれぞれ形成した。まずITOと金のフェルミレベルを光電子放出法(Photoelectron Emission法)で測定し、この測定値を基準にして、前記ポリチオフェン薄膜のフェルミレベルを接触電位差法により測定した。   Polythiophene thin films were formed on the ITO thin film and the gold thin film, respectively. First, the Fermi level of ITO and gold was measured by a photoelectron emission method (Photoelectron Emission method), and the Fermi level of the polythiophene thin film was measured by a contact potential difference method based on this measurement value.

その結果、ITO薄膜上に形成したポリチオフェン薄膜のフェルミレベルが4.4eVであるのに対し、金薄膜上に形成したポリチオフェン薄膜のそれは、4.5eVとほぼ同じ値を示した。   As a result, the Fermi level of the polythiophene thin film formed on the ITO thin film was 4.4 eV, whereas that of the polythiophene thin film formed on the gold thin film showed almost the same value as 4.5 eV.

例3(フラーレン重合体膜の製膜と各種物性の測定)
次に、前記ポリチオフェン薄膜上にフラーレン重合体膜を製膜した。
Example 3 (Film formation of fullerene polymer film and measurement of various physical properties)
Next, a fullerene polymer film was formed on the polythiophene thin film.

まず、原料としてのフラーレン分子は次のようにして調製した。図35に示すような装置において、直径10mm、長さ35cmのグラファイトロッドを正極とし、ヘリウム100Torr、の雰囲気下に150アンペアの直流電流によるアーク放電を行い、グラファイトロッドがほとんど気化しフラーレンを含むススが得られた後、2つの電極の極性を逆にして、本来の負極上に堆積したカーボンナノチューブ等の堆積物をさらに気化させ、煤とした。水冷反応容器内に堆積したススを掃除機で回収し、トルエンで抽出して粗製のフラーレンを得た。この粗製フラーレンをヘキサンで洗浄乾燥したのち、真空昇華により精製した。このようにして得られたフラーレン分子を飛行時間型質量分析にかけたところ、C60とC70が約9:1の割合で含まれていた。 First, fullerene molecules as raw materials were prepared as follows. In an apparatus as shown in FIG. 35, a graphite rod having a diameter of 10 mm and a length of 35 cm is used as a positive electrode, and arc discharge is performed with a direct current of 150 amperes in an atmosphere of helium 100 Torr. Was obtained, the polarities of the two electrodes were reversed, and the deposits such as carbon nanotubes deposited on the original negative electrode were further vaporized to form soot. Soot accumulated in the water-cooled reaction vessel was collected with a vacuum cleaner and extracted with toluene to obtain crude fullerene. The crude fullerene was washed and dried with hexane, and then purified by vacuum sublimation. When the fullerene molecules thus obtained were subjected to time-of-flight mass spectrometry, C 60 and C 70 were contained at a ratio of about 9: 1.

<マイクロ波重合>
次に、フラーレン重合体膜の製膜を行うため、上記フラーレン分子をモリブデンボートに充填し、図37に示すようなマイクロ波重合装置の反応管部位に設置した。分子ターボポンプにより反応室内を充分に脱気した後、アルゴンガスの導入を開始した。反応室内部が0.05Torrと一定になったところでマイクロ波発振装置を作動させ、チューナーで調整を行いながら400Wのマイクロ波パワーとした。マイクロ波の出力が一定となったところでモリブデンボートに通電し、徐々に電流値をあげることによりこれを昇温した。フラーレンの気化堆積は、基板の横に設置した水晶膜厚センサーによりモニターした。確認のため、接触型膜厚計を用いてフラーレン重合体膜の膜厚を測定した。電流測定にはナノアンメータを用いた。フラーレン重合体膜のバンドギャップは電流値の温度依存性から決定した。
<Microwave polymerization>
Next, in order to form a fullerene polymer film, the fullerene molecules were filled in a molybdenum boat and installed in a reaction tube portion of a microwave polymerization apparatus as shown in FIG. After sufficiently degassing the reaction chamber with a molecular turbo pump, the introduction of argon gas was started. When the inside of the reaction chamber became constant at 0.05 Torr, the microwave oscillating device was operated and the microwave power was adjusted to 400 W while adjusting with a tuner. When the microwave output became constant, the molybdenum boat was energized, and the temperature was raised by gradually increasing the current value. The vaporization deposition of fullerene was monitored by a quartz film thickness sensor installed beside the substrate. For confirmation, the thickness of the fullerene polymer film was measured using a contact-type film thickness meter. A nanoammeter was used for current measurement. The band gap of the fullerene polymer film was determined from the temperature dependence of the current value.

製膜時に、ベルジャー内にガラス基板及びシリコン基板等も同時に設置し、物性の測定を行った。フラーレン重合体膜の質量分析は、窒素パルスレーザによるアブレーションとイオン化により飛行時間型質量分析計を用いて行った。ダングリングスピンの測定は、窒素の雰囲気中でxバンド電子スピン共鳴装置を用いて行った。標準スピンとしてジ−tert−ブチルニトロキシド(Di-tert-butylnitroxide)のトルエン溶液を用い、デジタルマンガンマーカーの低磁場から3番目と4番目の吸収線との相対比較法により、フラーレン重合体膜の単位重量当たりのダングリングスピン数を求めた。結果は以下のとおりである。なお、バンドギャップの値は透過率測定の結果をフォビデン−インデレクト(Forbidden-indirect)法で求めた。
膜厚(接触膜厚計) : 30nm
電気伝導度 : 1.1×10-8S/cm
バンドギャップ : 1.4eV
ダングリング : 2.0×1018spins/g
At the time of film formation, a glass substrate and a silicon substrate were also installed in the bell jar at the same time, and physical properties were measured. Mass spectrometry of the fullerene polymer film was performed using a time-of-flight mass spectrometer by ablation and ionization with a nitrogen pulse laser. The dangling spin was measured using an x-band electron spin resonance apparatus in a nitrogen atmosphere. Using a toluene solution of di-tert-butylnitroxide as a standard spin, the unit of fullerene polymer film is obtained by relative comparison of the third and fourth absorption lines from the low magnetic field of the digital manganese marker. The number of dangling spins per weight was determined. The results are as follows. In addition, the value of the band gap was obtained by the Forbidden-indirect method as a result of transmittance measurement.
Film thickness (contact film thickness meter): 30 nm
Electrical conductivity: 1.1 × 10 −8 S / cm
Band gap: 1.4 eV
Dangling: 2.0 × 10 18 spins / g

次に、前記真空昇華に替えて、活性炭フィラーを充填したフラッシュカラムを用いてC60を精製し、これを原料に用いて同じような条件でフラーレン重合体膜を製膜した。物性評価の結果を以下に示す。
膜厚(接触膜厚計) : 30nm
電気伝導度 : 1.2×10-7S/cm
バンドギャップ : 1.5eV
ダングリング : 2.5×1018spins/g
Next, instead of the vacuum sublimation, C 60 was purified using a flash column filled with activated carbon filler, and a fullerene polymer film was formed under the same conditions using this as a raw material. The results of physical property evaluation are shown below.
Film thickness (contact film thickness meter): 30 nm
Electrical conductivity: 1.2 × 10 −7 S / cm
Band gap: 1.5 eV
Dangling: 2.5 × 10 18 spins / g

<プラズマ重合>
以上はマイクロ波重合による製膜であったが、次に、図36に示すようなRFプラズマ重合装置を用いてRFプラズマ(13.56MHz)によるフラーレン重合体膜の製膜を行った。精製したC60をモリブデンボートに収納し、抵抗加熱により気化せしめ、70Wのパワーで重合を行った。得られたフラーレン重合体膜につき、同様の物性評価を行った。その結果は以下のとおりであった。
膜厚(接触膜厚計) : 30nm
電気伝導度 : 1.8×10-7S/cm
バンドギャップ : 1.5eV
ダングリング : 2.0×1018spins/g
<Plasma polymerization>
The above was film formation by microwave polymerization, but next, a fullerene polymer film was formed by RF plasma (13.56 MHz) using an RF plasma polymerization apparatus as shown in FIG. The C 60 purified housed in a molybdenum boat, vaporized by resistance heating, and polymerization was carried out at a power of 70 W. The same physical property evaluation was performed on the obtained fullerene polymer film. The results were as follows.
Film thickness (contact film thickness meter): 30 nm
Electrical conductivity: 1.8 × 10 −7 S / cm
Band gap: 1.5 eV
Dangling: 2.0 × 10 18 spins / g

また、上記マイクロ波重合法とプラズマ重合法で得られたフラーレン重合体膜にそれぞれラマン分光測定を行ったところ、両者の重合構造は殆ど同じであることが示唆された。   Further, when Raman spectroscopy was performed on the fullerene polymer films obtained by the microwave polymerization method and the plasma polymerization method, it was suggested that the polymerization structures of the two were almost the same.

次に、原料としてC60を市販のC70に替え、前記と同様にしてArプラズマ重合を行った。得られたフラーレン重合体膜の物性評価の結果を、下に示す。
膜厚(接触膜厚計) : 45nm
電気伝導度 : 1.0×10-8S/cm
バンドギャップ : 1.5eV
ダングリング : 7.8×1017spins/g
Next, C 60 was replaced with commercially available C 70 as a raw material, and Ar plasma polymerization was performed in the same manner as described above. The result of physical property evaluation of the obtained fullerene polymer film is shown below.
Film thickness (contact film thickness meter): 45nm
Electrical conductivity: 1.0 × 10 −8 S / cm
Band gap: 1.5 eV
Dangling: 7.8 × 10 17 spins / g

なお、前記C60重合体膜のラマン分光測定結果をグラファイト様炭素のそれと比較したところ、図44に示すようにアモルファスカーボンの1350cm−1付近に観測される所謂無秩序(Disorder)バンドは観測されなかった。1460及び1580cm−1のバンドはそれぞれ5員環を形成している単結合C−Cの対象伸縮振動と、弱く共役したC=C二重結合の対称伸縮振動に帰属される。 When the Raman spectroscopic measurement result of the C 60 polymer film was compared with that of graphite-like carbon, a so-called disorder band observed near 1350 cm −1 of amorphous carbon as shown in FIG. 44 was not observed. It was. The bands of 1460 and 1580 cm −1 are attributed to the target stretching vibration of a single bond C—C forming a 5-membered ring and the symmetrical stretching vibration of a weakly conjugated C═C double bond.

次に、フラーレン薄膜のバンド構造を明らかにするために、前記プラズマ重合法と前記電解重合法により得られたC60重合体膜につき、光電子放出スペクトルから価電子帯のエッジのレベルを評価した。その結果を図45に示す。なお、比較のため、C60蒸着膜の場合も併せて示す。 Next, in order to clarify the band structure of the fullerene thin film, the level of the valence band edge was evaluated from the photoelectron emission spectrum of the C 60 polymer film obtained by the plasma polymerization method and the electrolytic polymerization method. The result is shown in FIG. For comparison, the case of a C 60 vapor deposition film is also shown.

例4(ヘテロ接合構造体の作製とその物性)
次に、ITO電極上にポリチオフェン膜とC60重合体膜とを形成した前記積層体に対し、さらに対向電極としてアルミニウム電極を次のようにして形成した。まず、蒸着機をターボポンプにより10-8Torrまで真空に引き、その後、高純度水素ガスをバックファイルした。10-5Torrの水素雰囲気下にアルミニウムを上記積層体のC60重合体膜上に製膜しヘテロ接合構造体を得た。
Example 4 (Preparation of heterojunction structure and its physical properties)
Next, with respect to the laminate forming the polythiophene film with C 60 polymer film on the ITO electrode, further an aluminum electrode was formed as follows as a counter electrode. First, the vapor deposition machine was evacuated to 10 −8 Torr by a turbo pump, and then high-purity hydrogen gas was backfiled. Aluminum was formed on the C 60 polymer film of the above laminate in a hydrogen atmosphere of 10 −5 Torr to obtain a heterojunction structure.

光電子放出法による価電子帯バンドのエッジ、接触電位差法によるフェルミ準位、および光学的手法によるバンドギャップの評価から、得られたヘテロ接合構造体のバンド構造は図46に示すようになる。   FIG. 46 shows the band structure of the heterojunction structure obtained from the evaluation of the edge of the valence band by the photoelectron emission method, the Fermi level by the contact potential difference method, and the band gap by the optical method.

また、このヘテロ接合構造体のVI特性を評価した。その結果を図47に示す。また、500WのXeランプを用いてフォトセルとしての特性を有するかどうかの確認を行った。その結果、ITO側から光照射を行った場合に、図示のとおり、フォトセルとしての顕著な機能が確認された。   In addition, the VI characteristics of this heterojunction structure were evaluated. The result is shown in FIG. In addition, it was confirmed whether or not it has characteristics as a photocell using a 500 W Xe lamp. As a result, when light was irradiated from the ITO side, a remarkable function as a photocell was confirmed as shown in the figure.

また、前記アルミニウムを金に替えたこと以外は同じ構造のヘテロ接合構造体につき、VI特性を評価した。その結果を図48に示す。このヘテロ接合構造体も、フォトセルとしての機能を有する。   Moreover, the VI characteristics were evaluated for the heterojunction structure having the same structure except that the aluminum was replaced with gold. The results are shown in FIG. This heterojunction structure also has a function as a photocell.

また、比較のため、前記ポリチオフェン膜を省くとともに対向電極にそれぞれインジウムと金を用い、光透過性電極にITOを用いた積層体につき、使用温度と電圧、電流との関係を測定したところ、図49及び50に示すような結果が得られた。いずれも所望のVI物性が得られず温度により特性が変わることが分かる。   For comparison, the relationship between operating temperature, voltage, and current was measured for a laminate in which the polythiophene film was omitted, indium and gold were used for the counter electrode, and ITO was used for the light transmissive electrode. Results as shown in 49 and 50 were obtained. In any case, it is understood that the desired VI physical properties cannot be obtained and the characteristics change depending on the temperature.

次に、上述のフラーレン重合体膜などについて、ラマンスペクトルの測定をそれぞれ行った。   Next, the Raman spectrum of each of the above fullerene polymer films was measured.

例5
上述のプラズマ重合において、アルゴン圧0.1Torr、プラズマパワー50WでC60のプラズマ重合を行った。得られた重合体膜のラマンスペクトルを測定した結果、図51に示すようなスペクトルを得た。ただし、この測定に際してはアルゴンイオンレーザのパワーは光誘起の構造変化を起こさない程度に抑えられた。
Example 5
In the above plasma polymerization, plasma polymerization of C 60 was performed at an argon pressure of 0.1 Torr and a plasma power of 50 W. As a result of measuring the Raman spectrum of the obtained polymer film, a spectrum as shown in FIG. 51 was obtained. However, in this measurement, the power of the argon ion laser was suppressed to such an extent that no photo-induced structural change occurred.

例6
例5と同様に製膜したC60重合体膜の表面に200Wのアルゴンプラズマを2時間照射した後、例16と同じ強さのレーザ光でラマン測定を行った。その結果、図52に示すようなラマンスペクトルを得た。
Example 6
After irradiating the surface of the C 60 polymer film formed in the same manner as in Example 5 with 200 W argon plasma for 2 hours, Raman measurement was performed with a laser beam having the same intensity as in Example 16. As a result, a Raman spectrum as shown in FIG. 52 was obtained.

例7
常法によりC60の蒸着膜を製膜し、例5と同じ強さのレーザ光でラマン測定を行った。その結果、図53に示すようなラマンスペクトルを得た。
Example 7
A vapor deposition film of C 60 was formed by a conventional method, and Raman measurement was performed with a laser beam having the same intensity as in Example 5. As a result, a Raman spectrum as shown in FIG. 53 was obtained.

例8
市販のグラファイト様炭素のラマン測定を行った。結果を図54に示す。
Example 8
Raman measurement of commercially available graphite-like carbon was performed. The results are shown in FIG.

以上、ラマン測定の結果から図51に示したスペクトルはランダムに配向したC60ポリマーを特徴付けるスペクトルで、1464cm−1のピークは単結合性の対称伸縮振動に、また1571cm−1のピークは2重結合性の対称伸縮振動に帰属される。また、1425cm−1付近に見られる肩は分子間結合のC−C対称伸縮振動に帰属される。ここで大事なことは、図53に示したスペクトルのPentagonal Pinch Modeと呼ばれる1470cm−1のピークが、図51の1464cm−1のピークの起源であって、これが僅かにシフトすることである。 From the results of Raman measurement, the spectrum shown in FIG. 51 is a spectrum characterizing a randomly oriented C 60 polymer. The peak at 1464 cm −1 is a single bond symmetrical stretching vibration, and the peak at 1571 cm −1 is double. It is attributed to the symmetric stretching vibration of connectivity. Further, the shoulder seen in the vicinity of 1425 cm −1 is attributed to the CC symmetric stretching vibration of the intermolecular bond. What is important here is that the peak at 1470 cm −1 called the Pentagonal Pinch Mode in the spectrum shown in FIG. 53 is the origin of the peak at 1464 cm −1 in FIG. 51 and is slightly shifted.

さらに例6のスペクトルは明らかに大きなDisorder Bandが観測されたことからアモルファス化していることが示唆される。線の幅は異なるものの、図54に示したグラファイト様炭素のスペクトルとピーク位置が一致している。このように、図51の様なスペクトルのプロファイルはC60の重合体に特有なものである。 Furthermore, it was suggested that the spectrum of Example 6 was made amorphous by clearly observing a large Disorder Band. Although the width of the line is different, the peak position coincides with the spectrum of the graphite-like carbon shown in FIG. Thus, the spectrum profile as shown in FIG. 51 is unique to the C 60 polymer.

なお、図55に75Wのアルゴンプラズマ中で製膜したC60重合体膜と、発見者らの論文〔P.Strasser,M.Ata,J.Phys.Chem.B,102,4131(1998)〕に示した電解重合法で製膜したC60重合体のラマンスペクトルを示す。ピークの位置、波ともに図51とよく一致しており、C60のランダム配向重合体であれば、必ず1464、1571cm−1のピークが観測される。 FIG. 55 shows a C 60 polymer film formed in 75 W argon plasma and a paper by the discoverers [P. Strasser, M. Ata, J. Phys. Chem. B, 102, 4131 (1998)]. Raman spectra of C 60 polymer was formed into a film by electrolytic polymerization method shown in shown. Both the peak positions and the waves are in good agreement with FIG. 51, and peaks of 1464 and 1571 cm −1 are always observed for C 60 randomly oriented polymers.

例9
次に、0.1Torrの圧力下でプラズマパワーを種々に変えて、プラズマ重合法により製膜したC60重合体膜につき、ラマン測定を行った。その結果を図56に示す。
Example 9
Next, by changing the plasma power in various ways under a pressure of 0.1 Torr, per C 60 polymer film was formed by plasma polymerization, it was subjected to Raman measurement. The result is shown in FIG.

また、同様のプラズマ重合法を用い、50Wのプラズマパワーの下で圧力を種々に変えて製膜したC60重合体膜につき、ラマン測定を行った。その結果を図57に示す。 In addition, using the same plasma polymerization method, Raman measurement was performed on the C 60 polymer film formed by changing the pressure under a plasma power of 50 W in various ways. The result is shown in FIG.

また、図58は0.01Torrの圧力下、図59は0.025Torrの圧力下、図60は0.2Torrの圧力下、でそれぞれ蒸着法により製膜したC60蒸着膜のラマン測定の結果を示す。 Further, FIG 58 is under a pressure of 0.01 Torr, FIG. 59 under a pressure of 0.025Torr, results of Figure 60 are under a pressure of 0.2 Torr, in Raman measurements of C 60 evaporated film was formed by each vapor deposition Show.

さらに、圧力0.1Torr、プラズマパワー10Wのプラズマ重合によりC60重合体膜を製膜し、そのラマン測定を行った。その結果を図61に示すとともに、プラズマパワーを30Wに変えたこと以外は同様にして得たC60重合体膜の、ラマン測定の結果を図62に示す。 Further, a C 60 polymer film was formed by plasma polymerization at a pressure of 0.1 Torr and a plasma power of 10 W, and the Raman measurement was performed. The result is shown in FIG. 61, and the result of Raman measurement of the C 60 polymer film obtained in the same manner except that the plasma power was changed to 30 W is shown in FIG.

上記の各ラマンシフトをまとめて下記の表3に示す。

Figure 0005334930
The above Raman shifts are summarized in Table 3 below.
Figure 0005334930

次にネグザフス法による評価を行った。   Next, the Negzafus method was evaluated.

例10
60蒸着膜のK(K軌道)エッジネグザフススペクトルの測定を行った。その結果を図63に示す。
Example 10
The K (K orbital) edge neg-affus spectrum of the C 60 deposited film was measured. The results are shown in FIG.

例11
例5で得たC60プラズマ重合膜のKエッジネグザフススペクトルの測定を行った。結果を図64に示す。
Example 11
The K-edge Negaffus spectrum of the C 60 plasma polymerized film obtained in Example 5 was measured. The results are shown in FIG.

例10及び11のπ反結合性の軌道への遷移部分を拡大して図65に示した。半経験的レベルの分子軌道計算及びMNDO/AM−1,MNDO/PM−3両パラメタリゼーションで行った計算に基づく固有値の帰属を図示した。また、同レベルでのC60の2量体の計算結果は、軌道レベルの分散は起きるものの、π電子と見なせる電子の個数の減少にともない、スペクトル強度の減少が予測された。実際のスペクトルパターンはこれをよく再現している。 FIG. 65 shows an enlarged view of the transition part to the π antibonding orbit of Examples 10 and 11. The assignment of eigenvalues based on semi-empirical levels of molecular orbital calculations and calculations performed with both MNDO / AM-1 and MNDO / PM-3 parameterizations is illustrated. In addition, the calculation result of the C 60 dimer at the same level was predicted to decrease in the spectral intensity as the number of electrons that can be regarded as π electrons decreased, although orbital level dispersion occurred. The actual spectral pattern reproduces this well.

例12
例6の炭素薄膜のネグザフス測定を行い、図66に示した。このパターンは例10及び11とは全く異なるものとなり、アモルファス化が進行したことを裏付けるものである。
Example 12
Negzaf's measurement of the carbon thin film of Example 6 was performed and is shown in FIG. This pattern is completely different from Examples 10 and 11, and supports the progress of amorphization.

例13
例12のサンプルの表面を50WのO2プラズマで5分間処理し、酸素K−EdgeのNEZAFS測定をおこなった。その結果を図67に示す。本来、このようなピークは酸化されていない表面からは観測されないことから、強力なプラズマ照射がアモルファス化を誘導し、さらに大気中において酸化が進行したことが伺える。
Example 13
The surface of the sample of Example 12 was treated with 50 W O 2 plasma for 5 minutes, and NEZAFS measurement of oxygen K-Edge was performed. The results are shown in FIG. Originally, such a peak is not observed from the non-oxidized surface, so it can be inferred that strong plasma irradiation induced amorphization and further oxidation progressed in the atmosphere.

上記したネグザフス測定の結果をバレンスバンドレベルで比較すると、下記の表4のようになる。

Figure 0005334930
Table 4 below shows a comparison of the above-described Negzaphth measurement results at the valence band level.
Figure 0005334930

なお、図68に、上記したネグザフス法によるスペクトルと、これに対応した光誘起による電子及びホールの軌道遷移との関係を示す。   FIG. 68 shows the relationship between the above-described spectrum obtained by the Negzafus method and the corresponding orbital transition of electrons and holes caused by light induction.

例14
例4において製作したITO電極、ポリチオフェン膜、C60重合体膜及びアルミニウム電極(対向電極)からなるヘテロ接合構造体において、ポリチオフェン膜とC60重合体膜との間にフタロシアニン膜(活性層)を介在させ、対向電極として金を用いたヘテロ接合構造体を例4に準じて製作した。
Example 14
In the heterojunction structure composed of ITO electrode, polythiophene film, C 60 polymer film and aluminum electrode (counter electrode) produced in Example 4, a phthalocyanine film (active layer) is placed between the polythiophene film and the C 60 polymer film. A heterojunction structure using gold as a counter electrode was manufactured according to Example 4.

そのVI特性を図69に示すが、良好なフォトセル特性を示すことが分かる。なお、フタロシアニン膜のフォトレレクトロンエミッションスペクトルの測定結果を図70に示すとともに、フォトンエネルギーと吸収係数との関係を図71に示す。   The VI characteristic is shown in FIG. 69, and it can be seen that the photocell characteristic is good. Note that the measurement result of the photolectron emission spectrum of the phthalocyanine film is shown in FIG. 70, and the relationship between the photon energy and the absorption coefficient is shown in FIG.

例15
例4において製作したITO電極、ポリチオフェン膜、C60重合体膜及びアルミニウム電極(対向電極)からなるヘテロ接合構造体において、ITO電極の外面(大気にさらされる面)にガラス基板を積層し、かつ、ポリチオフェン膜をC60重合体膜とを互いに入れ替えた図2(c)に示した如きヘテロ接合構造体を例6に準じた方法で製作した。
Example 15
In the heterojunction structure composed of the ITO electrode, polythiophene film, C 60 polymer film and aluminum electrode (counter electrode) produced in Example 4, a glass substrate is laminated on the outer surface (surface exposed to the atmosphere) of the ITO electrode; and , polythiophene film was manufactured in the C 60 polymer film and each other permuted FIG 2 (c) how the such heterojunction structure shown pursuant to example 6.

このヘテロ接合構造体は、フォトセルとしては十分機能しなかったが、電荷移動が可能であり、リニアなVI特性を示すことから、光量測定等には使用可能である。   Although this heterojunction structure did not function sufficiently as a photocell, it can move charges and exhibits linear VI characteristics, so that it can be used for light quantity measurement and the like.

例16
また、例14のヘテロ接合構造体において、対向電極として金の替わりにアルミニウムを用いたヘテロ接合構造体を例6に準じて製作し、そのVI特性を測定した。その結果を図72に示す。この図から、このヘテロ接合構造体がフォトセルとしての機能を有することが分かる。
Example 16
Moreover, in the heterojunction structure of Example 14, a heterojunction structure using aluminum instead of gold as a counter electrode was manufactured according to Example 6, and its VI characteristics were measured. The result is shown in FIG. This figure shows that this heterojunction structure has a function as a photocell.

例17
まず、テトラチアフルバレン分子をモリブデン抵抗加熱体により気化させつつ20Wの低プラズマパワーのアルゴンプラズマ照射を行って例1と同じITO上に製膜した。同過程の中で、ガラス基板上にも薄膜を形成させ、フォトエレクトロエミッションとバンドギャップの測定を行った。その結果、バンドギャップは2.4eVと評価された。またそのバレンスエッジはITOのフェルミレベルとほぼ一致した。
Example 17
First, 20 W of low plasma power argon plasma irradiation was performed while vaporizing tetrathiafulvalene molecules with a molybdenum resistance heater to form a film on the same ITO as in Example 1. In the same process, a thin film was formed on a glass substrate, and photoelectroemission and band gap were measured. As a result, the band gap was estimated to be 2.4 eV. The valence edge almost coincided with the Fermi level of ITO.

さらに、得られたテトラチアフルバレンのラマン、赤外線の測定結果は、テトラチアフルバレン分子が脱水素化され、ポリマー化された構造であることを示唆した。またプラズマの微妙な条件に左右されるものの、導電性は10-4〜10-2S/cmのオーダーであった。 Furthermore, the Raman and infrared measurement results of the obtained tetrathiafulvalene suggested that the tetrathiafulvalene molecule had a dehydrogenated and polymerized structure. The conductivity was on the order of 10 −4 to 10 −2 S / cm, although it was affected by the subtle conditions of the plasma.

次に、このテトラチアフルバレン薄膜の上にフラーレンポリマーの製膜を行った。まず、原料であるフラーレン分子は以下のように調製した。図35に示すような装置において、直径10mm、長さ35cmのグラファイトロッドを正極とし、ヘリウム100Torr下150アンペアの直流電流によるアーク放電を行った。グラファイトロッドがほとんど気化し、フラーレンを含むススが得られた後、2つの電極の極性を逆にして、本来の負極上に堆積したカーボンナノチューブ等の堆積物をさらに気化させ、ススとした。水冷反応管内に堆積したススを掃除機で回収し、トルエンで抽出して粗製のフラーレンを得た。得られた粗製フラーレンをヘキサンで洗浄乾燥したのち、活性炭を充填したフラッシュカラムによりC60のみを得、さらにこれを真空昇華により精製した。 Next, a fullerene polymer was formed on the tetrathiafulvalene thin film. First, fullerene molecules as raw materials were prepared as follows. In an apparatus as shown in FIG. 35, a graphite rod having a diameter of 10 mm and a length of 35 cm was used as a positive electrode, and arc discharge was performed with a direct current of 150 amperes under 100 Torr of helium. After the graphite rod was almost vaporized and soot containing fullerene was obtained, the polarities of the two electrodes were reversed to further vaporize deposits such as carbon nanotubes deposited on the original negative electrode to obtain soot. Soot accumulated in the water-cooled reaction tube was collected with a vacuum cleaner and extracted with toluene to obtain crude fullerene. After the resulting crude fullerenes were washed dried with hexane, to give only a C 60 by flash column filled with activated carbon, further which was purified by vacuum sublimation.

次に、フラーレン重合体の製膜を行った。原料となるフラーレン分子は上述の例と同様にして製造した。このフラーレン分子をモリブデンボートに充填し、プラズマ重合装置に反応管部位に設置した。分子ターボポンプにより充分に脱気した後、アルゴンガスの導入を開始した。反応管内部が0.05Torrと一定になったところでプラズマ発振装置を作動させ、マッチング調整を行いながら50Wのパワーとした。モリブデンボートに通電し、徐々に電流値を上げることによりこれを昇温した。フラーレンの気化堆積は、基板の横に設置した水晶膜厚センサーによりモニターした。確認のため、接触型膜厚計を用いてフラーレン重合薄膜の膜厚を測定した。電流値測定にはナノアンメータを用いた。フラーレン重合薄膜のバンドギャップは電流値の温度依存性から決定した。   Next, a fullerene polymer film was formed. Fullerene molecules as raw materials were produced in the same manner as in the above example. This fullerene molecule was filled in a molybdenum boat and installed in a reaction tube site in a plasma polymerization apparatus. After sufficiently degassing with a molecular turbo pump, introduction of argon gas was started. When the inside of the reaction tube became constant at 0.05 Torr, the plasma oscillation device was operated to adjust the power to 50 W while performing matching adjustment. This was heated by energizing the molybdenum boat and gradually increasing the current value. The vaporization deposition of fullerene was monitored by a quartz film thickness sensor installed beside the substrate. For confirmation, the film thickness of the fullerene polymerized thin film was measured using a contact-type film thickness meter. A nanoammeter was used for current measurement. The band gap of fullerene polymer thin film was determined from the temperature dependence of the current value.

製膜時に、ベルジャー内にガラス基板及びシリコン基板等も同時に設置し、物性測定を行った。フラーレン重合薄膜の質量分析は、窒素パルスレーザによるアブレーションとイオン化により飛行時間型質量分析計により行った。ダングリングスピンの測定は、窒素雰囲気中で、xバンド電子スピン共鳴装置を用いて行った。標準スピンとしてジ−tert−ブチルニトロキシド(Di-tert-butylnitroxide) のトルエン溶液を用い、デジタルマンガンマーカーの低磁場から3番目と4番目の吸収線との相対比較法により、フラーレン重合体膜の単位重量当たりのダングリングスピン数を求めた。なお、バンドギャップの値は透過率測定の結果をフォビデン−インデレクト(Forbidden-indirect) 法で求めたものである。   At the time of film formation, a glass substrate and a silicon substrate were also installed in the bell jar at the same time, and physical properties were measured. Mass analysis of the fullerene polymer thin film was performed by a time-of-flight mass spectrometer by ablation and ionization with a nitrogen pulse laser. The dangling spin was measured using an x-band electron spin resonance apparatus in a nitrogen atmosphere. Using a toluene solution of di-tert-butylnitroxide as a standard spin, the unit of fullerene polymer film is obtained by relative comparison of the third and fourth absorption lines from the low magnetic field of the digital manganese marker. The number of dangling spins per weight was determined. The band gap value is obtained by measuring the transmittance measurement result by the Forbidden-indirect method.

これらの測定結果は、前記例3と同じであった。また、C60重合体膜のラマン分光測定と価電子帯のエッジレベルの評価を行ったところ、前記図44及び45と同じであった。なお、このITO−テトラチアフルバレン−C60重合体からなる積層体の透過率特性を測定したところ、図73に示すような結果が得られた。 These measurement results were the same as those in Example 3. Further, the Raman spectroscopic measurement of the C 60 polymer film and the evaluation of the valence band edge level were the same as those shown in FIGS. Incidentally, the ITO- tetrathiafulvalene -C 60 where the transmittance characteristics of the laminate comprising the polymer were measured, the results shown in FIG. 73 were obtained.

次に、プラズマ重合によりC60ポリマーをテトラチアフルバレン膜(導電性ポリマー)上に形成した積層体に対し、さらに対向電極としてインジウム電極を設置した。まず、蒸着機をターボポンプにより10-8Torrまで真空に引き、その後、高純度水素ガスをバックファイルした。10-5Torrの水素雰囲気下でインジューム膜をヘテロ薄膜上に製膜した。Photoelectron Emission法による価電子帯バンドのエッジ、接触電位差法によるフェルミ準位、および光学的手法によるバンドギャップの評価から、得られたヘテロ接合構造体のバンド構造は図46と同様なものになる。 Next, an indium electrode was further installed as a counter electrode on the laminate in which the C 60 polymer was formed on the tetrathiafulvalene film (conductive polymer) by plasma polymerization. First, the vapor deposition machine was evacuated to 10 −8 Torr by a turbo pump, and then high-purity hydrogen gas was backfiled. An indium film was formed on the hetero thin film in a hydrogen atmosphere of 10 −5 Torr. From the evaluation of the valence band edge by the photoelectron emission method, the Fermi level by the contact potential difference method, and the band gap by the optical method, the band structure of the obtained heterojunction structure is the same as that shown in FIG.

また、このヘテロ接合構造体のVI特性を評価した。また、500WのXeランプを用いてフォトセルとしての特性を有するかどうかの確認を行った。その結果、ITO側から光照射を行った場合、顕著なフォトセルとしての機能が確認された。   In addition, the VI characteristics of this heterojunction structure were evaluated. In addition, it was confirmed whether or not it has characteristics as a photocell using a 500 W Xe lamp. As a result, when light was irradiated from the ITO side, a remarkable function as a photocell was confirmed.

例18
また、前記インジウムをアルミニウムに替えたこと以外は同様の構造のヘテロ接合構造体を製作し、そのVI特性を測定した。その結果を図74に示す。これに明らかなように、このヘテロ接合構造体はフォトセルとしての機能を発揮する。
Example 18
Further, a heterojunction structure having the same structure except that the indium was replaced with aluminum was manufactured, and the VI characteristics were measured. The results are shown in FIG. As is apparent from this, this heterojunction structure exhibits a function as a photocell.

例19
例17において製作したITO電極、テトラチアフルバレン層、C60重合体膜及びインジウム電極とからなるヘテロ接合構造体において、テトラチアフルバレン層とC60重合体膜とを互いに入れ替えたヘテロ接合構造体を製造した。このヘテロ接合構造体はVI特性はリニアーとなり、フォトセルとしては十分機能しなかったが、電荷移動は可能である。
Example 19
ITO electrodes fabricated in Example 17, tetrathiafulvalene layer, the heterojunction structure consisting of a C 60 polymer film and an indium electrode, tetrathiafulvalene layer and C 60 polymer film and a heterojunction structure interchanged with Manufactured. Although this heterojunction structure has a linear VI characteristic and does not function sufficiently as a photocell, charge transfer is possible.

以上から明らかなように、本発明のヘテロ接合構造体は、光誘起による電荷移動が可能であり、太陽電池や発光ダイオード等として好適な用途を有する。   As is clear from the above, the heterojunction structure of the present invention is capable of photoinduced charge transfer and has a suitable application as a solar cell, a light emitting diode, or the like.

また、フラーレン重合体の同定も、ラマン法ネグザフス法の併用により始めて的確な結果が得られることが分かる。従って、フラーレン重合体膜が確かに製膜されたことを確認し、次の上層の製膜工程に入ることができるため、常に目的とするヘテロ接合体を作製できる。しかも、フラーレン重合体膜の重合度が不十分であることが判ったときには、この情報を重合工程へフィードバックしてフラーレンの重合条件を制御することができる。   In addition, it can be seen that the fullerene polymer can be accurately identified only by the combined use of the Raman method and the Negzafus method. Therefore, since it can be confirmed that the fullerene polymer film is surely formed and the next upper layer film forming process can be performed, the intended heterozygote can always be prepared. Moreover, when it is found that the degree of polymerization of the fullerene polymer film is insufficient, this information can be fed back to the polymerization process to control the polymerization conditions of fullerene.

なお、本発明のヘテロ接合構造体は、既述した基本的構成を有する限り、積層構造に種々の変化をもたせることが可能であり、使用目的に応じて各層を複数層に分割したり、各層の層厚を任意に設計することができる。   As long as the heterojunction structure of the present invention has the basic configuration described above, the laminated structure can have various changes, and each layer can be divided into a plurality of layers according to the purpose of use. The layer thickness can be arbitrarily designed.

1…基板、2…透明電極、3…導電性高分子膜、4…フラーレン重合体膜、
5…対向電極、6…活性層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Transparent electrode, 3 ... Conductive polymer film, 4 ... Fullerene polymer film,
5 ... Counter electrode, 6 ... Active layer

特許第9656473号Patent No. 9656473 特許第95230248号Patent No. 95230248 特許第9325116号Patent No. 9325116 USP第5171373号USP No. 5171373 WO第9405045号WO 940505045

Claims (10)

光透過性電極とその対向電極との間に、ポリチオフェン膜からなる導電性有機膜とフラーレン重合体膜とが積層されてなる電荷移動型ヘテロ接合構造体を有し、
に、前記フラーレン重合体膜と前記導電性有機膜との間に、真空準位からみたエネルギーレベルが前記フラーレン重合体膜のエネルギーレベルと前記導電性有機膜のエネルギーレベルとの中間にある、フタロシアニン膜からなる活性層が介在している、
光電変換素子。
A charge transfer type heterojunction structure in which a conductive organic film made of a polythiophene film and a fullerene polymer film are laminated between a light transmissive electrode and its counter electrode,
Further, in between the fullerene polymer film and the conductive organic film, in between the Enel Gireberu energy level and the conductive organic film Enel Gireberu viewed from the vacuum level is said fullerene polymer film There is an active layer consisting of a phthalocyanine film ,
Photoelectric conversion element.
前記フラーレン重合体膜が前記対向電極に接している、請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the fullerene polymer film is in contact with the counter electrode. 基板上に、前記光透過性電極と前記導電性有機膜と前記活性層と前記フラーレン重合体膜と前記対向電極とがこの順に積層されてなる、請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the light transmissive electrode, the conductive organic film, the active layer, the fullerene polymer film, and the counter electrode are laminated in this order on a substrate. 基板上に、前記光透過性電極と前記フラーレン重合体膜と前記活性層と前記導電性有機膜と前記対向電極とがこの順に積層されてなる、請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the light transmissive electrode, the fullerene polymer film, the active layer, the conductive organic film, and the counter electrode are stacked in this order on a substrate. 前記導電性有機膜に導電性制御用のドーパントが添加されている、請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein a dopant for controlling conductivity is added to the conductive organic film. 前記フラーレン重合体膜がC60の重合体及び/又はC70の重合体からなっている、請求項1に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the fullerene polymer film is made of a C 60 polymer and / or a C 70 polymer. 前記フラーレン重合体膜が、フラーレン分子の光重合、電子線照射重合、プラズマ重合、マイクロ波重合又は電解重合によって形成されたものである、請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the fullerene polymer film is formed by photopolymerization, electron beam irradiation polymerization, plasma polymerization, microwave polymerization, or electrolytic polymerization of fullerene molecules. 前記光透過性電極及び前記対向電極が、金属酸化物又は金属の薄膜からなる、請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the light transmissive electrode and the counter electrode are made of a metal oxide or a metal thin film. 前記光透過性電極が、インジウム酸化物にスズをドープした金属酸化物、又は金、銀、白金、ニッケルの薄膜からなり、前記対向電極が前記金属酸化物又はアルミニウム、マグネシウム、インジウムの薄膜からなる、請求項8に記載の光電変換素子。 The light transmissive electrode is made of a metal oxide obtained by doping tin with indium oxide, or a thin film of gold, silver, platinum, or nickel, and the counter electrode is made of a thin film of the metal oxide or aluminum, magnesium, or indium. The photoelectric conversion element according to claim 8 . フォトセルとして構成されている、請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, which is configured as a photocell.
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