2013年2月28日

リリース概要

大阪大学産業科学研究所 酒井謙一研究員、竹谷純一教授および高輝度光科学研究センター 藤原明比古主席研究員の共同研究グループは、有機トランジスタの電気伝導特性における、巨大かつ符号が反転する異常な圧力効果を発見し、そのメカニズムの解明に成功しました。高圧下で動作する有機トランジスタ構造を開発し、精密な物性測定と大型放射光施設SPring-8の高輝度X線を活用した構造解析を組み合わせることにより、圧力印加による分子回転が電気伝導に及ぼす、有機半導体ならではの新しい物性を明確にとらえることが可能になりました。

この成果を活用することにより、有機トランジスタの出力を圧力により変調することができ、高感度かつ広い圧力範囲で動作する圧力センサーなどへの応用が可能となります。

なお、本成果に関する報告はPhysical Review Letters誌にて2月28日(米国東海岸時間)にオンライン上で掲載され、3月1日に印刷出版される予定です。

研究の背景

有機半導体は、現在主に用いられているシリコンなどの無機半導体と比ベて機械的に柔軟で、印刷法による低コスト生産をすることができる特長があり、次世代エレクトロニクス素子への応用開発研究が盛んに行われています。これまで、電気伝導特性や電界効果特性などの様々な物性が調べられてきましたが、圧力下における物性については、有機半導体の機械的柔軟性に直結するにも関わらず、あまり詳しく研究されていませんでした。シリコンなどの無機半導体においては、強く共有結合している原子間の距離が小さくなることによる電気伝導度の増加が知られていますが、有機半導体では、弱い分子間力で結びついていて、しかも特徴的な形をもつ分子の配列が圧力によってどう変化して、電気伝導がどのような影響を受けるかは、興味深い研究対象でした。

今回の成果

(1)高圧下で動作するデバイス構造の開発
通常の有機トランジスタでは、堅い無機物の基板上(二酸化シリコン)に、柔らかい有機単結晶が張り付けられます。このため、両者の収縮率の大きな差が原因となり、デバイスを加圧収縮した際に有機単結晶が破壊されてしまいます。これを防ぐために、デバイス上のすべての部位を、有機物と同程度の収縮率を持つポリマー性素材で作製し、デバイス全体の一様な収縮を試みました。その結果、1 GPa以上の高圧下でも破損することなく正常に動作する有機トランジスタの作製に成功し、それに続く高圧下での電気伝導特性の評価を行うことを可能にしました。

(2)DNTT※1電界効果トランジスタの巨大かつ特異な圧力効果の発見
今回の研究では、有機トランジスタの高圧特性を評価するにあたり、硫黄原子を含むDNTT分子に着目しました。多くの有機半導体が炭素・水素で構成されるのに対し、DNTT分子では硫黄原子がより外に広がった電子分布を持つため、単純な炭化水素系とは異なる現象が現れました。即ち、隣の分子との反発力をうまくかわすように分子の向きを変えながら接近し、硫黄分子を中心とした電子分布によって、分子間の電子の移動が急に活発になることによる「巨大な圧力効果」、また、分子が回転することによって、距離が近づきながらも分子間の電子移動がより困難になる、「負の圧力効果」(図1図2)を初めて発見しました。

今後の予定

今回の研究結果により、多様な分子における特徴的な圧力効果が現れることが示されたため、もっと大きな圧力効果や分子形状の変化と分子間結合にも影響する化学的な圧力効果など、さらに発展した基礎研究を進めます。あわせて、圧力センサーなどへの応用について、具体的な検討を開始する予定です。

参考図

図1  圧力とともにDNTT分子の配列が変化する様子

図2  圧力とともに最初は有機半導体中の移動度※2が大きく増大する巨大圧力効果とその後減少に転じる負の圧力効果。

用語解説

※1 DNTT
ジナフトチエノチオフェン

※2 移動度
移動度は半導体の中に注入された電子キャリアの動きやすさを表す。

参考URL

http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i9/e096603 (論文)

http://www.sanken.osaka-u.ac.jp

http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/jp/organization/fir/fir_03.html

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