Development of molecularly-oriented 2D patterning technique for innovative manufacturing processes in organic devices

• Project/Area Number: 18K04930
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Aoyama Tetsuya 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 専任研究員 (50342738)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 利彦 福島工業高等専門学校, 化学・バイオ工学科, 教授 (10709819)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2018: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 分子配向 / ナノ・マイクロ科学 / 有機トランジスタ / 有機光エレクトロニクス

Outline of Final Research Achievements

A two-dimensional precision rubbing system has been developed with a programmable XY stage. In thienoquinoid transistors which were converted from an edge-on to a face-on configuration by rubbing, cold isostatic pressing (CIP) improved the carrier mobility. X-ray diffraction measurements and quantum chemical calculations revealed that the π-π stacking change was responsible for the mobility enhancement.
Molecularly-oriented J-aggregates thin films with enormously red-shifted absorption were obtained on polytetrafluoroethylene alignment layers prepared by the rubbing system. It was confirmed that the near-infrared-absorbing J-aggregates were locally distributed in the films.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

開発した2次元精密ラビング装置で2次元的に配向した有機薄膜が得られることを実証した。また、面内での分子配向に限らずEdge-onからFace-onなど垂直方向の変換も可能であり、さらに冷間等方圧加圧を用いることで、π-πスタッキングの高密度化に成功した。テフロン配向膜を用いた場合には、J会合体の複数の準安定状態を誘起することができた。これらは、薄膜機能の性能を大きく左右する分子パッキング制御において、変化の方向性および制御方法を拡張したという意義がある。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Univ. Strasbourg/Sorbonne Univ.(フランス)
• [Int'l Joint Research] Zhejiang Univ.(中国)
• [Presentation] 有機膜の密度制御とデバイス応用 (2022)
  • Author(s): 松島 敏則, 江崎 有, 青山 哲也, 安達 千波矢
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会 (2022)
  • Invited
• [Presentation] 分子配向ビスアゾ色素J会合体薄膜における超長波長シフト (2022)
  • Author(s): 青山 哲也, 余 健, 村中 厚哉, 石飛 昌光, 梅澤 洋史, 松本 真哉, 内山 真伸, 山形 豊, 田中 利彦
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Local Spatial Distribution of Molecularly-oriented J-aggregates on Poly(tetrafluoroethylene) Alignment Layers (2021)
  • Author(s): Tetsuya Aoyama, Jian Yu, Hee-Soo So, Junna Kawaguchi, Shinya Matsumoto, Masamitsu Ishitobi, Hirohito Umezawa, Atsuya Muranaka, Masanobu Uchiyama, Toshihiko Tanaka
  • Organizer: The 38th International Conference of Photopolymer Science and Technology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] チエノキノイド分子配向薄膜トランジスタにおける冷間等方圧加圧による移動度向上 (2021)
  • Author(s): 青山 哲也, 松島 敏則, 田中 利彦, Benoit Heinrich, Fabrice Mathevet, 村中 厚哉, 高石 和人, 内山 真伸, 松本 真哉, 山形 豊, 安達 千波矢, Jean-Charles Ribierre
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 分子配向ビスアゾ色素薄膜におけるJ会合体形成の制御 (2021)
  • Author(s): 余 健, ソ ヒス, 川口 純奈, 村中 厚哉, 内山 真伸, 石飛 昌光, 梅澤 洋史, 田中 利彦, 松本 真哉, 青山 哲也
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ポリテトラフルオロエチレン配向膜上のビスアゾ色素薄膜における局所的J会合体形成 (III) (2020)
  • Author(s): 青山 哲也, ソ ヒス, 川口 純奈, 松本 真哉, 石飛 昌光, 梅澤 洋史, 村中 厚哉, 内山 真伸, 田中 利彦
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ポリテトラフルオロエチレン配向膜上のビスアゾ色素薄膜における局所的J 会合体形成 (II) (2020)
  • Author(s): 青山 哲也, ソ ヒス, 川口 純奈, 松本 真哉, 石飛 昌光, 梅澤 洋史, 村中 厚哉, 内山 真伸, 田中 利彦
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会, 東京
• [Presentation] 一軸配向したポリテトラフルオロエチレン表面における原子溝エピタキシをもたらす分子間相互作用 (2020)
  • Author(s): 田中 利彦, 青山 哲也, 石飛 昌光, 梅澤 洋史, 村中 厚哉, 内山 真伸
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会, 東京
• [Presentation] Local formation of J-aggregates in aligned bisazo dye films (2019)
  • Author(s): T. Aoyama, H.-S. So, J. Kawaguchi, S. Matsumoto, M. Ishitobi, H. Umezawa, A. Muranaka, M. Uchiyama, T. Tanaka
  • Organizer: International Symposium on Dyes and Pigments 2019, Seville, Spain
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Atomic groove epitaxy of dye molecules on aligned PTFE surfaces and highly oriented J-aggregates (2019)
  • Author(s): T. Tanaka, T. Aoyama, M. Ishitobi, M. Sato, H-S. So, J. Kawaguchi, S. Matsumoto, H. Umezawa, A. Muranaka, M. Uchiyama
  • Organizer: International Symposium on Dyes and Pigments 2019, Seville, Spain
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ポリテトラフルオロエチレン配向膜上のビスアゾ色素薄膜における局所的J会合体形成 (2019)
  • Author(s): 青山 哲也, ソ ヒス, 川口 純奈, 松本 真哉, 石飛 昌光, 梅澤 洋史, 村中 厚哉, 内山 真伸, 田中 利彦
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会, 札幌
• [Presentation] 一軸配向したポリテトラフルオロエチレンの表面に固有な原子溝エピタキシー (2019)
  • Author(s): 田中 利彦, 青山 哲也, 石飛 昌光, 佐藤 未英, ソ ヒス, 川口 純奈, 松本 真哉, 梅澤 洋史, 村中 厚哉, 内山 真伸
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会, 札幌
• [Presentation] チエノキノイド半導体薄膜におけるラビング温度制御による分子配向度の増大 (2019)
  • Author(s): 青山 哲也, 田中 利彦, Heinrich Benoit, Mathevet Fabrice, 松島 敏則, 高石 和人, 松本 真哉, 内山 真伸, 安達 千波矢, Ribierre Jean-Charles
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会, 東京
• [Presentation] Unique Atomic Groove Epitaxy on Poly(tetrafluoroethylene) (2018)
  • Author(s): Toshihiko Tanaka, Masamitsu Ishitobi, Tetsuya Aoyama, Hirohito Umezawa
  • Organizer: E-MRS 2018 Fall Meeting, Warsaw, Poland
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ラビングによるチエノキノイド分子のEdge-on/Face-on変換と有機トランジスタ移動度の異方性 (2018)
  • Author(s): 青山哲也, 田中利彦, Heinrich Benoit, Mathevet Fabrice, 松島敏則, 高石和人, 松本真哉, 内山真伸, 安達千波矢, Ribierre Jean‐Charles
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会, 名古屋
• [Presentation] Mechanical rubbing-induced edge-on to face-on reorientation and molecular alignment in thienoquinoid transistors (2018)
  • Author(s): Tetsuya Aoyama, Toshihiko Tanaka, Benoit Heinrich, Fabrice Mathevet, Toshinori Matsushima, Kazuto Takaishi, Shinya Matsumoto, Masanobu Uchiyama, Chihaya Adachi, Jean-Charles Ribierre
  • Organizer: 9th International Conference on Molecular Electronics (ElecMol9), Paris, France
  • Int'l Joint Research