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超スマート社会の実現のための次世代半導体分子システムの開発に成功

 東京大学と筑波大学は2017年11月17日,東京大学大学院 新領域創成科学研究科物質系専攻の岡本 敏宏 准教授および筑波大学 数理物質系の石井 宏幸 助教が,次世代電子材料として期待されている有機半導体材料の新しい分子システムの開発に成功したことを発表した.有機半導体の電荷移動度の低下を抑制するための分子システムの提案であり,世界最高レベルの電荷移動度と高安定性を同時に実現し,フレキシブルデバイスの実用化を加速するものである.この研究は,戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)の研究領域「分子技術と新機能創出」における研究課題「革新的有機半導体分子システムの創出」で進められ,この成果はドイツ科学誌Advanced Sciencesに発表された(注)

 従来から,情報化社会の進化を支えるエレクトロニクスの基盤として,シリコンを中心とする無機材による半導体デバイスが活躍してきた.しかし近年,機械的に柔軟で,印刷により安価に製造され,環境負荷も軽減できる有機化合物からなる有機半導体が注目され,これによる次世代のプリンテッド・フレキシブルエレクトロニクスの発展が期待されている.このような有機半導体の特長は,有機半導体の構成単位であるパイ電子系分子が弱い分子間力によって分子集合体を形成していることによるもので,強い共有結合で原子同士が結びついた無機半導体と異なる.そのため,有機半導体では,固体中であっても室温のエネルギーで分子の運動(分子間振動)をおこし,常に分子同士の相対的な位置が変化することになり,分子間で電荷が移動しにくくなってしまう.即ち,半導体性能の指標である電荷移動度が低くなる問題が発生する.最近の研究開発成果として,現用のアモルファスシリコンよりも1桁以上高い10cm2/Vs級の移動度を有する有機半導体が報告されているが,更なる移動度向上のためには,新しいコンセプトに基づく分子システムの開発が求められる.

 研究グループは,有機半導体固体内の分子間振動を抑制するとともに,その影響を低減することを指向して,新たな分子システムとしてパイ電子系分子(炭素原子による主骨格を有し,一重結合と二重結合が交互に連なった共役二重結合をもつ化合物)であるChDT(chryseno[2,1-b:8,7-b']dithiophene,環状の共役二重結合を形成し芳香族性を有する)とその誘導体(分子群)を設計し,合成法を新たに開発した.ChDTは,分子間振動が起こっても分子間でそれぞれの電子軌道が重なっていて電荷の通り道が変化しにくいこと,また,パイ電子系分子の形状が従来の棒状からジグザク形状になったため,分子間で互いにクサビのように作用して分子間振動を抑制できることという特徴を持つ構造である.

 得られたChDT分子群は,安価な印刷プロセスで製膜することができ,大気中で長期間分解しない化学的安定性と,従来実現できなかった高温までの結晶安定性を達成することできた.試作したFETの特性では,期待通り世界最高レベルの10cm2/Vsの電荷移動度を達成した.

本研究で新たに提案した有機半導体分子システムは有機半導体を用いる有機エレクトロニクス分野に新しい潮流を起こし,新たな有機半導体材料の開発を飛躍的に進展させることが期待できるとしている.

(注)Akito Yamamoto, Yoshinori Murata, Chikahiko Mitsui, Hiroyuki Ishii, Masakazu Yamagishi, Masafumi Yano, Hiroyasu Sato, Akihito Yamano, Jun Takeya, Toshihiro Okamoto, "Zigzag-Elongated Fused π-Electronic Core: A Molecular Design Strategy to Maximize Charge Carrier Mobility", Advanced Sciences, Early View, First published: 15 November 2017; DOI: 10.1002/advs.201700317