東大ら,シール状の有機半導体超薄膜を開発

東京大学,産業技術総合研究所,物質・材料研究機構の研究グループは,高性能な有機トランジスタに利用可能な有機半導体超薄膜を,様々な表面にシールのように貼付する手法を開発した(ニュースリリース)。

研究グループではこれまでに,厚さ数分子層(10nm程度)からなる有機半導体単結晶超薄膜を大面積で塗布可能な印刷手法について報告している。

今回の研究ではこの手法を用いて,天然マイカ(雲母)上に有機半導体超薄膜の製膜を行なった。天然マイカは原子レベルに平坦で,表面が非常に水に塗れやすい(超親水性)。製膜後,マイカ基板ごと水に浸漬させることで,基板から剥離して水に浮かぶ半導体超薄膜を得ることに成功した。

これを透過型電子顕微鏡で観察したところ,この超薄膜が元の単結晶性を維持し,さらに半導体の性能を示す移動度の値として,実用化の指標である10cm2/Vsを超える高品質な単結晶性の膜を得ることが分かった。これは,高性能な電気伝導特性を示すために重要であり,この手法で得られる超薄膜が電子デバイスに有用であることが期待される。

この水に浮かぶ超薄膜は,超親水性を示す天然マイカ表面と高撥水性を示す有機半導体膜表面との水との親和性の差によって,天然マイカ/有機半導体膜界面に水が入るというメカニズムにより起こっていると考えられるという。

ここで,超親水基板としては,天然マイカの他にも,超親水性処理を施したガラス基板等を用いることができる。研究では,このメカニズムを利用して,超親水性基板に印刷した半導体膜を別基板に貼り付ける手法を開発した。

別の基板に対して半導体膜が接するように設置し,水を滴下することで,数秒のうちに半導体膜/超親水性基板界面に水が浸入する。この間,半導体膜は基板から剥離すると同時に別基板に貼り付く。これにより,半導体を溶かす溶媒が触れたり熱をかけたりすることなく,別基板上に有機半導体超薄膜を貼り付けることに成功した。

この手法は水のみを用いた簡便なプロセスであるため,これまで印刷法との適合性がなかった様々な材料の表面に対して有機半導体超薄膜を貼り付けることが可能となったという。

この研究ではその超薄膜の利用例として,従来では利用が困難だったフッ素樹脂表面上や食品用ラップ上で有機薄膜トランジスタ(OTFT)を作製した。デバイスはいずれも10cm2/Vsを超える高い移動度を示した。さらに3cm角の半導体膜を転写と100個のOTFTの作製にも成功した。8cm角の有機半導体超薄膜の転写にも成功していているという。

研究グループは,n型有機半導体材料で同様の手法を用いることで,IoT社会に不可欠な論理素子への応用が期待されるとともに,従来の技術では困難であった高性能な積層デバイスへの展開も考えられるとしている。

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