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摘要：本研究通过将红外光谱法、X射线衍射和量子化学计算相结合的独特分析方法，首次明确证实了DNTT薄膜中会出现3种取决于膜厚的不同晶相（单分子膜相、薄膜相、体相），有望极大推动有机电子学领域中对薄膜形成的理解，并促进传感器和晶体管等下一代器件的性能提升。

关键词：有机半导体薄膜、膜厚、晶相、薄膜相、DNTT

概要

研究团队成功在分子水平上准确阐明了有机半导体在基板上形成的厚度仅数纳米的“超薄膜”结构。此前，人们已知有机材料形成薄膜时会出现与单晶不同的结构，但直接识别最薄的“单分子层”结构十分困难，对于许多材料来说仍是未解之谜。

本研究以典型的有机半导体二萘并噻吩并噻吩（DNTT）为对象，采用将高分辨率红外光谱法、小角入射X射线衍射和量子化学计算相结合的独特方法，逐步明确了随膜厚变化而出现的三种晶体结构（单分子膜相、薄膜相、体相）。特别是首次在分子水平上明确证实了DNTT的薄膜相和单分子膜相的存在，并准确确定了其晶体结构，这是一项重大成果。

此次的成果有望极大推动有机电子学领域中对薄膜形成的理解，并促进传感器和晶体管等下一代器件的性能提升。预计今后该研究成果会应用于其他材料体系，并拓展至界面结构的精密控制技术。

图：有机薄膜材料呈现阶段性多形转移的示意图

背景

有机材料即使是同一种化合物，也能呈现多种不同的晶体结构，这被称为分子晶体的多形性。晶体多形与材料的性质密切相关，阐明多形是与各类药品和产品开发相关的重要基础研究课题。特别是用于传感器、薄型显示器和晶体管等的有机半导体，通常以分子在基板上整齐排列的“薄膜”状态使用，分子排列（晶体结构）对性能影响巨大。然而，有机半导体形成第一层时会呈现何种晶体结构，难以通过实验进行调查，以往人们主要基于多层膜或单晶结构来讨论薄膜的性质。

近年来有研究指出，部分材料可能存在“薄膜特有的新晶相（薄膜相）”，但由于尚未确立明确区分单分子层和多层膜结构的方法，这成为理解薄膜生长初期阶段的一大障碍。本研究的目的是通过结合高精度理解分子排列的红外光谱法、X射线衍射以及量子化学计算，直接阐明薄膜生长过程中隐藏的“晶相”。

研究方法与成果

本研究聚焦于作为有机半导体得到广泛应用的二萘并噻吩并噻吩（DNTT）。这种材料稳定性高且具有良好的电气特性，是器件研究中的代表性模型物质。不过，其薄膜结构与电气物性的关联一直基于单晶结构来理解。

本研究确立了将红外光谱法、X射线衍射和量子化学计算相结合的独特分析方法。通过红外光谱法识别出各晶相特有的吸收带；利用X射线衍射确定这些晶相的晶格常数；基于实验获得的这些信息，通过量子化学计算确定各晶相的结构模型。

通过综合分析这些数据，首次明确证实了DNTT薄膜中会出现3种取决于膜厚的不同晶相：

单分子膜相（第一层）：具有与单晶和多层膜不同的独特分子排列。
薄膜相（数十nm）：由单分子膜相转变而来的中间结构。
体相（数十nm以上）：与单晶相同的稳定结构。

尤其重要的是，本研究将此前存在情况尚不明确的单分子膜相结构与薄膜相区分开来，并通过实验进行了验证。由此，可以将有机薄膜的形成过程作为连续的相变进行系统性理解。

影响与未来计划

此次成果将极大推动对有机半导体薄膜生长机制的根本理解，有望通过界面精密控制，助力高性能晶体管的设计、高灵敏度传感器的开发以及有机器件再现性的提高。

未来，研究团队计划将该方法扩展至其他有机半导体材料，旨在构建通用的薄膜结构分析平台。此外，还计划将其应用于组合界面设计和控制技术的材料开发。

研究者评论

“许多有机半导体材料具有薄膜相，而长期以来DNTT被认为是不具有多形的薄膜材料。本研究成果颠覆了这一长期认知，有力证实了薄膜相和单分子膜相是包括DNTT在内的棒状分子的共同性质。同时也要强调，这一成果是红外光谱法、X射线衍射和量子化学计算各领域专家的智慧结晶。”

https://www.kuicr.kyoto-u.ac.jp/sites/wp-content/uploads/shioya_20260122_02.pdf

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5c03306

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