東大ら,プラスチック基板上に分子配向膜を形成

東京大学,東京工業大学,大阪大学らの研究グループは,プラスチック基板上に自己組織化単分子膜のような数層からなる分子配向膜の形成手法を開発し,有機集積回路への応用に成功した(ニュースリリース)。

フレキシブルエレクトロニクスでは,曲がるディスプレー,大面積センサーなどへの応用が盛んに研究されている。研究グループはこれまで,アルミ酸化膜と自己組織化単分子膜(SAM)を用いることで,低電圧駆動可能な有機トランジスタや集積回路などを開発してきた。しかし,アルミ酸化膜はプラスチックなどのポリマー材料と比べて硬いという問題点があった。

有機トランジスタにおいて,ゲート絶縁膜に金属酸化物を用いた既存のデバイスでは,金属酸化物表面をSAMで修飾するとSAMによって金属表面の性質が改質され,表面上で結晶性の高い有機半導体層が形成されやすくなり,デバイス性能が向上することが知られていた。

しかし,ポリマー薄膜は金属酸化物がもつような結合する足場がなくSAMが使えないため,ポリマー絶縁膜を用いたフレキシブルデバイスの性能を向上させることは困難だった。

研究グループは,独自に開発した「三脚型トリプチセン」をポリマー表面の修飾に利用した。三脚型トリプチセンは,自己集合によって,プロペラ部位が入れ子状に密に詰まった二次元シート構造を形成する能力がある。そのため,基板表面との間に結合がなくても,ポリマーを含む多種多様な基板上で,構造規則性と配向性の高い薄膜を形成することができる。

この分子配向膜を形成したさまざまな基板の表面物性を理研ビームラインで評価したところ,ポリマー基板,酸化物基板などの種類に依らずに同等の表面エネルギーを示すことが分かった。一方で,分子配向膜を形成しない基板では表面エネルギーが異なっており,今回の分子配向膜が基板に依らずに表面エネルギーを一定にできることが分かった。

さらに,この分子配向膜上に有機半導体であるジナフトチエノチオフェン(DNTT)を成膜したところ,分子配向膜がない状態と比較して結晶性が向上していることが分かった。

この技術を有機トランジスタと集積回路に応用したところ,電気特性が劇的に向上した。特に,絶縁膜に30nmのパリレンと呼ばれるポリマーと5nmのトリプチセン分子配向膜を用いた場合には,1V以下の低電圧で駆動する有機回路を実現することに成功した。作製した有機発振回路の発振速度は,従来のアルミ酸化膜と自己組織化単分子膜を用いた発振回路と比較して,4倍以上速い発振速度を示した。

この研究成果により,さまざまな基板の上にわずか数層の分子配向膜を形成する技術と,フレキシブルエレクトロニクスへの応用を実現した。今回用いたトリプチセン分子の末端基はさまざまな官能基に変更することができるため,トリプチセンの分子設計を適切に行なうことで,ポリマー基板に機能性を付加することができ,さまざまな高機能,高特性のフレキシブルエレクトロニクスが実現できるとしている。

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