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東大と筑波大、印刷できる高性能n型有機半導体単結晶を開発

2020/11/17 16:37
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発表日:2020年11月17日

印刷できる高性能n型有機半導体単結晶を開発

-有機IoTデバイスの実現に期待-

1.発表者:

熊谷 翔平(東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 特任助教)

渡邉 峻一郎(東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 准教授/産業技術総合研究所 産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ 客員研究員 兼務)

岡本 敏宏(東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 准教授/JST さきがけ研究員 兼務/産業技術総合研究所 産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ 客員研究員 兼務)

竹谷 純一(東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 教授/マテリアルイノベーション研究センター(MIRC)特任教授 兼務/産業技術総合研究所 産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ 客員研究員 兼務/物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(WPI-MANA)MANA 主任研究者(クロスアポイントメント))

石井 宏幸(筑波大学数理物質系 助教)

2.発表のポイント:

◆ホール効果測定や単結晶構造解析により、印刷可能な単結晶n型有機半導体がバンド伝導性を示すことを詳細に明らかにしました。

◆大面積化可能な印刷法により成膜したバンド伝導性単結晶薄膜を用い、メガヘルツ帯で動作する高速n型トランジスタの開発に成功しました。

◆既存のp型有機半導体と組み合わせることで有機トランジスタの開発が加速され、IoT社会に欠かせないRFIDタグなどのデバイス応用に期待が持たれます。

3.発表概要:

東京大学大学院新領域創成科学研究科、同マテリアルイノベーション研究センター、産総研・東大先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ(注1)、物質・材料研究機構、筑波大学数理物質系の共同研究グループは、印刷可能かつバンド伝導性を示すn型有機半導体単結晶薄膜を利用し、短波帯(注2)に分類される4.3MHzで動作する高速トランジスタの開発に成功しました。

有機半導体は軽量性、機械的柔軟性、印刷適合性などの特長から、次世代の有機エレクトロニクスの重要な電子材料として期待されています。一方で、分子間を電子が飛び移る(ホッピング伝導)(注3)ことで電気が流れる有機半導体は移動度(注4)が低いことが実用に向けての課題でした。しかし最近では、有機半導体でも無機半導体のようにバンド伝導性(注5)を示す物質が開発され、10cm2V-1s-1以上の高移動度が実現されています。高移動度は高速トランジスタに欠かせない重要な特性であるため、これらの有機半導体によって高速有機トランジスタの実用化への期待が高まっています。しかしながら、このような有機半導体のほとんどが正孔輸送性(p型)であり、低消費電力化に向けた相補型有機デバイス(注6)を作製するためには、電子輸送性(n型)有機半導体材料の開発が必要とされていました。n型有機半導体は、p型有機半導体に比べて、大気安定性の確保や、効率良い電気伝導経路の形成が難しいため開発が遅れていました。

今回、本研究グループは、同グループが最近開発したn型有機半導体材料が、印刷された単結晶薄膜においてバンド伝導性を示すことを明らかにしました。さらに、この単結晶薄膜は、微細加工しても高移動度を示し、大気下、4.3MHzで動作する高速n型有機トランジスタへ応用することに成功しました。これは印刷法・単結晶薄膜を特長としたn型有機半導体で初めての高速トランジスタであり、バンド伝導由来の高移動度により達成できたと言えます。

今後、プロセス技術の改良による動作周波数帯の拡張や、p型有機トランジスタと組み合わせることにより、高速駆動可能な相補型有機デバイスを作製し、IoT社会の実現に向けたフレキシブルなRFIDタグなどの開発が期待されます。

本研究成果は、独国科学雑誌「Advanced Materials」令和2年11月16日版に掲載されました。本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金「単結晶有機半導体中電子伝導の巨大応力歪効果とフレキシブルメカノエレクトロニクス」「有機単結晶半導体を用いたスピントランジスタの実現」(研究者代表者:竹谷純一)、「分子間振動の抑制を基軸とした次世代有機半導体材料の創製」(研究代表者:岡本敏宏)、「第一原理に基づく熱電変換計算理論の開発と有機材料への応用」(研究代表者:石井宏幸)及び、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業(さきがけ)研究領域「微少エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出」(研究総括:谷口研二)研究課題「有機半導体の構造制御技術による革新的熱電材料の創製」(研究者:岡本敏宏 東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 准教授)の一環として行われました。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/600229/01_202011171636.pdf

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