NIMSら,水溶液中で有機半導体を精密ドーピング

物質・材料研究機構(NIMS),東京大学,東京理科大学は,真空や窒素雰囲気を扱う特別な設備を用いずに,有機半導体を水溶液中で精密にドーピングする基盤技術を世界で初めて開発した(ニュースリリース)。

半導体デバイスの製造にはドーピング処理が不可欠。有機半導体の化学ドーピングには酸化還元試薬が使われている。

効果的な酸化還元試薬ほど水や酸素と反応しやすいため,真空中や窒素雰囲気で試薬を扱う特別な設備が必要だった。さらに,こうした設備を用いてもドーピング量の精度や再現性は低い状況にあった。これらは有機半導体の産業応用に対して大きな障壁となっていた。

今回研究グループは,水溶液中で有機半導体を精密ドーピングする世界初の技術を開発し,重要なマイルストーンを達成した。これは,ベンゾキノン(BQ)とヒドロキノン(HQ)のプロトン共役電子移動(PCET)反応を利用することで達成した。

この技術ではまず,BQ,HQと疎水性陰イオン(TFSI−)の水溶液を用意し,そのpHを調整する。続いて,この水溶液に有機半導体薄膜を浸す。有機半導体としてはインクから簡単に製膜できる高分子半導体PBTTTを用いた。

BQは2つの電子をPBTTTから,2つの水素イオンを水溶液から受け取ることで,HQへと変化する。この反応はpHが低い,すなわち水素イオン濃度が高いほど促進される。

BQとの反応によってPBTTTには電気伝導を担う正電荷のホールが注入され,また,TFSI−も水溶液中から電気的に引き付けられて導入される。これによって化学ドーピングが完了する。

この方法では,水溶液のpHを調整することにより,薄膜の電気特性を正確に制御することができた。pHが1から4までの水溶液では,PBTTT薄膜の色はpHに依存して変化し,電気伝導度は約5桁にわたって制御された。この結果は,この技術が電子デバイスの製造に十分なドーピング制御を提供できることを強調している。

有機半導体は柔軟,軽量であり,インクジェットなどの低コスト印刷プロセスに適した材料。研究グループは,この技術により,フィルム状のセンサーや電子回路,ディスプレー,太陽電池といったフレキシブルデバイスの産業応用が促進されるとする。

また,この技術を用いたフィルム型pHセンサーの原理も実証しており,ヘルスケアやバイオセンシングへの展開も期待されるとしている。

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