東大ら,半導体プラスチックでイオン交換を発見

東京大学,産業技術総合研究所らの研究グループは,世界で初めてイオン交換が半導体プラスチック(高分子半導体)でも可能であることを明らかにした(ニュースリリース)。

不純物ドーピングは,現代のシリコンを中心としたエレクトロニクスデバイスを支える最も重要な半導体技術。半導体シリコンのドーパントはリンやホウ素などの元素を用いるが,半導体プラスチックのドーピングには酸化還元力を有する分子を用いてきた。半導体プラスチックは添加されたドーパント分子と電子のやりとり(酸化還元反応)をすることで,電子の数を劇的に変化させることができ,導電性高分子となる。

しかし,強い酸化還元能力を持つドーパント分子は,大気中の水や酸素と反応し,ドーパントとしての機能が簡単に失われてしまう。この酸化還元反応の制約を乗り越えることはドーパント材料開発においても達成されず,安定に多くの電子をやりとりする手法の実現が望まれていた。

今回の研究では,従来は半導体プラスチックとドーパント分子の2分子系で行なわれていたドーピング手法を再検証した。この2分子系に新たにイオンを添加した結果,2分子系では逃れることのできなかった制約が解消され,従来よりも圧倒的に高い伝導性を有する導電性高分子の開発に成功した。

この多分子系では,イオン化したドーパント分子が新たに添加されたイオンと瞬時に交換することが実験的に確かめられ,適切なイオンを選定することで,半導体プラスチックでもナノメートルサイズの隙間を用いてイオン交換が可能であることを発見した。また,この時のイオン変換効率はほぼ100%となることもわかったという。

イオン交換は,古くから水の精製,タンパク質の分離精製,工業用排水処理などに広く応用されている。研究では,この極めて普遍的かつ化学工学の単位操作であるイオン交換を用いて,半導体プラスチックの電子状態を制御する革新的な原理を明らかにした。

さらに,イオン交換効率を制御することで半導体中の電子の数や流れやすさが変化することを活かし,金属的な性質を示すプラスチックの実現にも成功した。

研究グループは今回の研究により,固体中のイオンと電子を協奏的に制御することで,イオンと電子の両方の特長を活かした「固体イオントロニクスデバイス」の実現が期待できるとしている。

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