2015年11月9日

本研究成果のポイント

・有機導電性材料にクーロンブロッケイド※1 伝導が起こっていることを世界で初めて証明
・これまで未解明であった有機導体の低温電気伝導物性に新しい解釈を与える
・有機、分子デバイスの物性理解、設計に大きく役立つ成果

概要

赤井恵助教と桑原裕司教授のグループ(大阪大学大学院工学研究科精密科学・応用物理学専攻)は、有機導電性材料内におけるクーロンブロッケイド伝導を世界で初めて証明しました。

有機導体は一般的に構造が不規則なものが多く、電荷は伝導性の高い部分から次の高い部分へと飛び移らなくてはなりません。その時にクーロンブロッケイドが発現します。クーロンブロッケイド伝導はこれまで無機微粒子の低次元集合体、それも極低温でのみ発現すると考えられてきました。

今回、本研究では、有機導電性ポリマーの2次元超薄膜※2 にクーロンブロッケイド伝導が起こっているという実験的証拠をとらえることに成功しました。またそれらの実験結果に対して量子状態計算と伝導のモデルを検証することで、理論的な証明を示しました。本研究成果は、有機伝導体の伝導機構の理解を根本的に覆すことにつながる可能性があり、有機、分子デバイスの物性理解、設計に大きく役立つと考えられます。

本研究成果は、2015年11月4日付け「Physical Review Letters」誌に掲載されました。

研究の背景

有機デバイスの発展は目覚ましいものがあり、中でも導電性ポリマーは安価な炭素系低分子から合成され、構造やドーピングによって金属、半導体、絶縁体と様々にその物性を変化させることから、様々なデバイスに応用されつつあります。そのような物性多様性の一方で、有機導体の電気伝導特性には未解明な部分が多く残されており、低温における非線形伝導※3 も未解明のままでした。

低温物性は材料の伝導の本質を知るうえで非常に重要ですが、有機材料では低温において無機材料にはない電流の電圧に対する強い非線形性が現れます。この非線形伝導に対し、これまで様々な伝導機構の説明が試みられてきましたが、一般的で包括的な説明がなされたことはありませんでした。「有機導体の電気伝導において低温ではクーロン相互作用※4 が影響しているのではないか」との見方を示した報告もありましたが、それを明らかに証明した例はこれまで無く、有機物性物理界の一つの謎とされてきました。

研究内容

赤井助教らは、良好な半導体特性を示し、太陽電池研究でも注目される有機半導体:ポリヘキシルチオフェン(通称P3HT)を規則的に並べたシート状の2次元超薄膜を作製し、サブマイクロメートルの隙間を持つ金属電極上に約1nmの厚さの単分子シートを張り付け、電気伝導を計測しました。すると約150K※5 から4Kの低温範囲において、分子膜を流れる電流は温度に明らかに依存した電圧閾値※6 を示し、閾値より上では電圧のべき乗で増加することを見出しました。これらはクーロンブロッケイド伝導の典型的な特徴です。また、分子膜内における電荷※7 がどのように非局在分布するかを量子状態計算し、二次元膜内における伝導島分布モデルを検証することで、有機薄膜内における二次元クーロンブロッケイド伝導の発現を理論的に証明しました。

電極上のP3HT超薄膜の模式図(背景)、計測された非線形電流(左下)とクーロンブロッケイド2次元伝導モデル(右下)

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

クーロンブロッケイド伝導はこれまで無機微粒子の低次元集合体、それも極低温でのみ発現すると考えられてきました。このクーロンブロッケイド伝導が有機導体にも発現していることを明らかにしたことが本研究の最も重要な点です。多くの有機導体では室温付近でも伝導の非線形性を示す材料が多く、本研究成果により、有機導体では室温の伝導にもこのクーロンブロッケイド効果が影響していることが示唆されます。本研究の結果は有機伝導体の伝導機構の理解を根本的に覆すことにつながる可能性があり、今後ますます発展するであろう有機、分子デバイスの物性理解、設計に大きく役立つと考えられます。

特記事項

本研究成果は、2015年11月4日付け「Physical Review Letters」に掲載されました。
タイトル : “Coulomb-blockade transport in two-dimensional conductive polymer monolayer”
著者名 : Megumi Akai-Kasaya, Yusuke Okuaki, Shusaku Nagano, Tadaoki Mitani and Yuji Kuwahara

用語解説

※1 クーロンブロッケイド
物質の中を電荷※7 が移動する際、クーロン相互作用※4 による反発力の為に、電荷の移動が阻害される。このクーロン反発による遮蔽効果をクーロンブロッケイドという。クーロンブロッケイド伝導とは物質内に多くのクーロン遮蔽効果がある場合の電荷伝導機構をいう。電気伝導性の低い単一分子に対する電荷注入では今世紀初頭にクーロンブロッケイド現象が報告されている。

※2 2次元超薄膜
分子一層を隙間なく敷き詰めた2次元シート状の膜。分子1個の厚みしかない。

※3 非線形伝導
オームの法則では電圧の増加に比例して電流が流れ、電圧と電流の関係は直線になるが、非線形伝導では電流が電圧に比例せず、電圧と電流の関係は曲線になる。

※4 クーロン相互作用
電場あるいは磁場から電荷※7 が力を受ける相互作用のこと。電荷同士にも相互作用が発生し、異なる極性(正と負)の電荷では引力が、同じ極性(負と負、正と正)の電荷では反発力が発生する。

※5 K
温度および温度差の単位。ケルビンを単位として測った温度を絶対温度という。温度差を表す場合のケルビンの大きさはセルシウス度(℃)と同一で、温度の値を表す場合にはセルシウス度による値より273.15Kだけ大きい。273.15Kは0℃。

※6 電圧閾値
非線形伝導※3 において最初に電流が流れ始める電圧の値。その電圧を超えるまで物質の中を電流は流れない。

※7 電荷
物質の中を電気が流れるには負の電荷である “電子”と正の電荷である“正孔”のどちらかが必要になる。そのどちらが流れているかは物質によって異なる。“電子“と“正孔”のことを一般的に電荷という。

参考URL

論文掲載先(Physical Review Letters)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.196801

大阪大学大学院工学研究科精密科学・応用物理学専攻 桑原研究室HP
http://www-ss.prec.eng.osaka-u.ac.jp/index.html

研究内容(桑原研究室HPより)
http://www-ss.prec.eng.osaka-u.ac.jp/html/intro/intro.html

赤井恵助教(桑原研究室HPより)
http://www-ss.prec.eng.osaka-u.ac.jp/html/member/stuff/akai.html

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