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 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。

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 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 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。

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 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 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 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）

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。

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

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