東大ら,2次元有機単結晶ナノシートを大面積で成膜

東京大学らは,有機半導体インクを用いた簡便な印刷手法によって,分子スケールで膜厚が制御された厚さ15nm以下の2次元有機単結晶ナノシートを10cm角以上の大面積にわたって作製することに成功した(ニュースリリース)。

有機半導体は機械的な柔軟性に優れ,簡便な印刷プロセスによって低コストで製膜できるという特長から,IoT(Internet of Things)社会を担う次世代電子材料として注目されている。

近年,材料開発が急速に進歩し,10cm2/Vsを超える高移動度の有機電界効果トランジスタの報告が次第に増加してきたことに伴って,無線タグの論理回路など高速動作が求められるデバイスへの応用が期待されるようになってきた。

一方で,有機半導体はシリコンなどの無機半導体と比べて非常に大きな接触抵抗を持つため,短チャネルでは接触抵抗の影響によって電荷移動度が大幅に低下してしまうという問題があった。

有機半導体が大きな接触抵抗を示す要因として,半導体の膜厚に由来するアクセス抵抗の存在がある。研究ではアクセス抵抗を最小化するためのアプローチとして,有機半導体インクを用いた印刷プロセスによって有機半導体の膜厚を分子層スケールで制御し,わずか数分子層の厚みからなる2次元有機単結晶ナノシートの開発に取り組んだ。

今回,溶媒の蒸発によって有機半導体分子が析出する速度や基板の移動速度を精緻にコントロールすることで,分子層数が制御された,次元有機単結晶膜を得ることに成功した。実際には,数分子層に相当する15nm以下の膜厚のC8–DNBDT–NW単結晶薄膜を得た。

分子層数の異なる有機単結晶ナノシートを活性層として用いた電界効果トランジスタの電荷移動度および接触抵抗を評価したところ,2分子層有機単結晶トランジスタにおいて13cm2/Vsの高い移動度と、有機半導体としては世界最小レベルの47Ωcmの接触抵抗が実現されていることがわかった。

開発した大面積2次元有機単結晶ナノシートは単結晶本来の高い電荷移動度を損なうことなく,有機電界効果トランジスタ高速化のボトルネックとなっている接触抵抗を大幅に低減できるため,これまでは有機半導体の応用が困難と考えられていた高速演算処理が必要な論理素子などへの応用が期待される。

また,簡便な印刷プロセスで量産することができることから,今後のIoT社会を担う物流管理に用いられる低コストの無線タグや,生体信号をモニターするヘルスケアデバイスなどへの幅広い展開が考えられる。さらに,電荷伝導層が表面に露出しており外部刺激に対して敏感に応答すると予想されるため,ガスや生体細胞の吸着を高感度で検知するセンサーへ適用することも期待されるとしている。

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