東大ら,2分子分の厚みの大面積有機半導体を開発

東京大学と産業技術総合研究所(産総研)は,簡易な塗布法を用いて,手のひらサイズ(10cm×10cm)の面積全体にわたって分子が規則正しく整列し,かつ有機分子わずか2分子分(約10nm)の厚みをたもつ,超極薄×大面積×高性能な有機半導体デバイスを構築する技術を開発した(ニュースリリース)。

印刷や塗布によりフレキシブルな電子機器を製造するプリンテッドエレクトロニクス技術は,大規模・複雑化したこれまでの半導体製造技術を格段に簡易化できる革新技術として期待されている。常温での塗布により性能を発揮する有機半導体はこのための素材として有力だが,従来技術では,分子レベルで厚みが均質な半導体の形成は困難だった。

研究グループでは最近,π電子骨格とアルキル鎖(メタン系炭化水素から水素1原子を除いた残りの原子団からなる鎖)を連結した非対称なある種の棒状の有機分子が,分子の向きを揃えて横つながりに層をなした単分子層が2つ,π電子骨格の先端どうしを互いに向かい合わせるように重なり合った2分子膜構造を形成することを見いだした。この層状構造は,究極に薄い生体細胞膜に似ている。

これにより高性能TFTの構築に適した,分子レベルで薄く大面積に広がった半導体薄膜が得られるようになった。しかし従来の塗布や印刷では,2分子膜どうしがさらに積み重なる多層化の抑制は難しく,厚みが2分子膜1層から数十層に至るランダムな膜厚分布の半導体が得られていた。またこれが,デバイス特性がばらつく原因になっていた。

今回,半導体の膜厚を分子レベルで制御するため,π電子骨格に連結したアルキル鎖の長さが自由に変えられるという特長を活かす,新たな製膜法を開発した。そこでは,究極に薄い生体細胞膜の形成メカニズムにならい,「均質な厚みの層を得るため,分子の長さをわずかずつずらす」という発想のもと,アルキル鎖長の異なる2種の分子の混合溶液による製膜を行なった。その結果,従来の常識を大きく超える大面積にわたって究極の薄さをたもつ,きわめて高均質かつ高性能な超極薄半導体が得られた。

この超極薄半導体の結晶性は,高エネルギー加速器研究機構(KEK)の放射光科学研究施設(フォトンファクトリー)を用いて確認した。研究グループは今後,超極薄半導体の形成に適した分子材料の設計と製膜法のさらなる最適化により,フレキシブルな電子機器や超高感度分子センサーの実用化に必要な仕様を満たす超極薄TFTの開発を進める。さらに生体細胞膜に似た単層2分子膜の特徴を活かし,分子レベルの表面吸着や化学反応を制御できる究極の機能性人工超薄膜への展開を推進するとしている。

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