東京大学，横浜国立大学，産業技術総合研究所，東京理科大学は，独自に開発した単一のアンバイポーラ（両極性）分子半導体において，正の電荷を持つ正孔と負の電荷を持つ電子がそれぞれ全く異なる方向に流れやすい性質（キャリア特異的輸送異方性）を持つことを見出した（ニュースリリース）。
有機ELやフレキシブルセンサーに応用される分子半導体は，その性能を最大限に引き出すために，キャリアがどの方向に流れやすいかを精密に制御することが不可欠。特に，正孔と電子の両方を電圧によって流し分けるアンバイポーラ半導体は，高機能な論理回路などを実現する上で極めて重要となっている。
しかし，分子の並び方や，電荷輸送を担う分子軌道の種類によって特性が複雑に変化するため，単一材料内で両キャリアが異なる異方性を持つ可能性は，理論的に示唆されつつも実験的には実証されてこなかった。
研究グループは，正孔輸送を担う最高占有分子軌道（HOMO）と，電子輸送を担う最低非占有分子軌道（LUMO）が，分子の積層構造の中で異なる相互作用を持つと予測されたニッケルジチオレン化合物「Ni（4OPr）」に着目した。この材料の結晶性薄膜を用いて作製した有機電界効果トランジスタ（OFET）の電荷輸送特性を詳細に解析した結果，以下の画期的な事実を発見した。
作製したOFET素子において，正孔輸送は極めて高度に異方的である一方，電子輸送は等方性とみなせる経路を示すことが判明した。これは，同じ材料の中を移動するにもかかわらず，正孔は特定の方向にしか進めない一方通行路を，電子はどの方向にも進める広場を進むような，全く異なる輸送経路をたどることを意味する。
この異方性の起源が，分子間での軌道の相互作用の違いにあることを明らかにした。Ni（4OPr）はヘリンボーン積層と呼ばれる特徴的な分子配列をとり，これは一般的に均一な2次元的な輸送特性を示すと考えられていた。
しかし今回の研究により，正孔輸送に関わるHOMO間の相互作用と，電子輸送に関わるLUMO間の相互作用が全く異なる様式で働くことで，その差異がマクロなデバイス特性として現れることを突き止めた。
高エネルギー加速器研究機構の強力なX線を用いたグレージング入射広角X線散乱（GIWAXS）測定により，薄膜中の分子配向の方位を精密に決定した。この実測された方位に基づく薄膜のOFET特性の異方性は，単結晶構造から導かれた異方性の理論予測と見事に一致し，今回の研究の結論を実験的に強く裏づけた。
研究グループは，将来的には，従来にない機能を持つ分子半導体の創出が期待される成果だとしている。
