新東技報 No.38 ʼ20

有機伝導体のナノ薄膜化とエレクトロニクス素材への展開
分子科学研究所山本浩史

1. テーマ設定の背景ではなかった。本研究ではこのようなソフトマテ

有機ELディスプレイの普及に代表されるようリアルをエレクトロニクス素材として利用し、清に、近年有機エレクトロニクスの発展は目覚まし浄界面を形成することによって新機能を発現させく、世界中でさらなる研究開発が加速している。

るための素形材技術を開発した。

とりわけ、有機トランジスタ（OFET）は有機ELとの組み合わせによって、軽量でフレキシブ

3. 研究開発の成果

ルかつ割れにくい「プラスチックディスプレイ」

有機伝導体はイオン性の材料であるため、真空を実現できるため、その開発が活発に続けられて中で蒸着を行うと分解・乖離が起こりやすい。一いる。また、OFETのモビリティがp型とn型の方、スピンコートなどの手法を用いようとすると双方で 100 cm-2 V-1 s-1 を超えると、簡易なマイク溶解度が低いことから生じる不均一性が避けられロプロセッサも製造できることから、今後のIoTなかった。筆者らは、このようなイオン性ソフト時代を支えるプラスチックエレクトロニクスの材マテリアルに適した手法として、電気分解による料としても重要視されている。

ナノ薄膜の結晶成長とアルコール液中の単結晶張エレクトロニクス用素材の加工には様々な手り付け法を組み合わせることによって、世界で初法が知られており、素材の性質や得るべき界面のめて有機伝導体のナノ薄膜単結晶をデバイス化す

品質・コストに応じてPVD、CVD、MBE、スパッることに成功した（図 1）。この研究はこれまでタ、蒸着などが使用される。有機エレクトロニク

真空を使わないと得にくいと考えられていた「分スにおいては、分子を壊さずに薄膜化する方法と子レベルで平坦かつ規則的な界面」が、溶液プロして主に蒸着、スピンコート、ディップコートとセスでも十分得られることを示した点が重要であいった手法が使われていたが、有機伝導体と呼ばる。さらにこのような単結晶薄膜を基板に貼りつれる物質群の薄膜化はこれらの手法が適さず、開けた場合に、有機単結晶と基板の熱膨張係数の違発が遅れていた。本研究では、このような有機伝いが物性制御の手段として利用できることを見出導体のナノ薄膜化を達成することによって、基板し、「歪み効果」として積極的に利用できる点をや電極と接合し、エレクトロニクス素材としての発見した。
その結果、有機伝導体を用いた界面デバイスの新機能を発現させることを目指した。

実現に成功し、OFET、超伝導トランジスタ、歪2. 素形材分野との関連性みセンサー、不揮発メモリ素子、整流素子、高速「界面こそがデバイスである」というHerbert光学スイッチなどへの展開に至った。ここで開発

Kroemer（2000 年ノーベル物理学賞）の言葉をされたOFETの性能指数であるデバイスモビリ借りるまでもなく、エレクトロニクス素材の加工ティは 200 cm-2 V-1 s-1 を超えており、OFETとしにおいては界面の原子配置をいかに規則的かつ平ては世界最高の値である。とりわけ、有機伝導体坦に保つかが重要である。有機伝導体は典型的なの中から「モット絶縁体」と呼ばれる材料を選び、ソフトマテリアルであるため表面構造が破壊されこれを絶縁体から金属へと相転移させるモット転やすく、その清浄界面を達成するのは決して容易移を、様々な手法で実現・証明したことは特筆す－ 10 －

有機伝導体のナノ薄膜化とエレクトロニクス素材への展開べき成果である。最初に電界効果によるモット転点にある。

移を伝導度・ホール効果測定で実現し 1）、さらに本研究の波及効果として、有機エレクトロニク

モット転移を超短パルス光照射によっても可能とス分野へのインパクトが挙げられる。とりわけデした。また、ホールドープと電子ドープで動作様バイスを単結晶にした時の大幅な性能向上や、超式が異なっており、ホールドープをした際には擬伝導トランジスタの実現は、有機エレクトロニクギャップと呼ばれる特異な電子状態が実現するこスの性能限界がこれまで開発されてきたデバイスとも突き止めた。
さらには超伝導転移を電界効果、性能よりもずっと先にあることを実証した成果と2, 3）によって実現し、将来のして、特筆すべきものである。シリコントランジ

OFET、熱電素子、超伝導センサー、量子計算機、スタと違って、有機トランジスタは低温に冷却す

あるいはオプトエレクトロニクス素子の開発につると動作しなくなると以前は考えられていたが、ながるような基礎学術的知見を得た。これらは直この研究によって有機トランジスタもまた、低温ちに社会実装されるものではないが、いずれもこに冷却するに従って性能が向上し、極低温デバイれまでに実現していなかった新しい原理に基づくスとしての機能発現が可能であることが分かっものであり、その卓越性は明らかである。

た。今回の超伝導トランジスタでは、モット転移

歪み効果、光照射さらに加えて、ここで開発された超伝導デバイと呼ばれる電子系相転移を用いているので、新たスは「電界効果と歪み効果の同時制御」が出来るな原理を用いた素子の開発という点でも、今後のため、温度・歪み・ゲート電界の 3 つのパラメー素子開発に影響を与えると期待される。

ターを自由に変化させた場合のモット絶縁体 3次元相図決定に成功している 4）。これはモット絶

1. 結晶成長

縁体を母物質とする超伝導体において初めて実現

2. 結晶選定
有機単結晶

Pt

された成果であり、いわゆる「強相関超伝導体」の超伝導発現機構の解明にもつながるものである有機モット絶縁体の原料溶液と期待される。強相関超伝導は銅酸化物高温超伝3. アルコール洗浄導体、フラーレン超伝導体、二層グラフェン超伝

4. 基板固定導体など、様々な物質で知られているため、このような 3 次元相図の決定は、今後の超伝導物質探EtOH
デバイス用基板索においても、威力を発揮するものと期待される。

図1

有機伝導体ナノ薄膜デバイスの作製法

参考文献

4. 訴求点有機伝導体は赤松、井口、松永によって 1950

1）Y. Kawasugi, H. M. Yamamoto, N. Tajima, T.

年代に開発された、我が国発祥の材料であり、そFukunaga, K. Tsukagoshi, and R. Kato,の研究はその後の白川らによるドープポリアセチ“Field-induced carrier delocalization in theレンの開発（2000 年ノーベル化学賞）にもつな

strain-induced Mott insulating state of an

がる伝統的研究領域である。有機伝導体は、半導organic superconductor”, Phys. Rev. Lett, 103,

体から超伝導体まで様々な物性を示すため、従来116801/1-116801/4（2009）.とは全く異なるタイプのデバイスを開発できる可2）Masayuki Suda, Reizo Kato, and Hiroshi M.

能性がある。筆者らの研究の特徴は、このような

Yamamoto, “Light-induced superconductivity

伝統を受け継ぎつつも、エレクトロニクス用素材

using a photo-active electric double layer”,としての有機伝導体の取り扱いに注目し、純良なScience, 347, 743-746（2015）.

界面デバイスとしての新しい機能性を引き出した3）H. M. Yamamoto, M. Nakano, M. Suda, Y.

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Iwasa, M. Kawasaki and R. Kato, “A
strained organic field-effect transistor with agate-tunable superconducting channel”,
Nature Commun. 4, 2379/1–2379/7（2013）4）Yoshitaka Kawasugi, Kazuhiro Seki, SatoshiTajima, Jiang Pu, Taishi Takenobu, Seiji
Yunoki, Hiroshi M. Yamamoto, and Reizo
Kato, “Two-dimensional ground-statemapping of a Mott-Hubbard system in a
flexible field-effect device”, Sci. Adv . 5 ,eaav7282（2019）－ 12 －