先進印刷技術を用いた層状分子集積システム構築とπ電子機能の創出

• Project Area: pi-System Figuration: Control of Electron and Structural Dynamism for Innovative Functions
• Project/Area Number: 17H05144
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 長谷川 達生 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (00242016)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2018: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2017: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 有機半導体 / 有機エレクトロニクス / プリンテッドエレクトロニクス / 二分子膜 / 超薄膜 / ２分子膜

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、π電子骨格をアルキル鎖で置換したある種の非対称分子が、二分子膜構造にもとづく非常に高い層状結晶性と優れた半導体特性を示すという最近の研究成果を手がかりに、二分子膜を単位とする層構造の積層数や積層様式を自在に制御した分子集積システム構築と、その機能開拓を目的とする。本年度は、①層状結晶性をさらに強化する新分子開発、②二分子膜構造における構造相転移の発見と、これにもとづく高い層状結晶性の起源解明、及び、③単層二分子膜の極薄性を活用した分子認識センサ機能の開拓に取り組んだ。①では、BTBT系以外の拡張π電子系（BTNT系、BBBT系）をアルキル鎖で置換した非対称分子系において、BTBT系と同様な層状結晶性の極めて高い二分子膜構造の構築を確認した。②では、最も典型的なmono-Cn-BTBT系薄膜において、層状結晶内のアルキル鎖間の秩序の融解を引き金とする固相-固相転移が生じることを見出した。具体的には、n=8以上のmono-Cn-BTBT薄膜を約80 ℃で保持すると、結晶性薄膜内に新たな結晶ドメインが徐々に成長する固相-固相転移が生じること、及びそれらの詳細な偏光吸収スペクトル測定から、転移後の分子配列構造が、n=7以下のmono-Cn-BTBT薄膜と同型の分子配列構造に変化することを確認した。以上から、これら分子が形成するヘリンボーン型二分子膜構造が、π電子骨格間の秩序とアルキル鎖間の秩序の拮抗により決定づけられており、そのバランス変化により構造相転移が生じることが明らかになった。③では、前年度開発した単層二分子膜を含む積層数が様々に異なる極薄単結晶薄膜トランジスタについて、雰囲気制御下での暴露分子に対するデバイス応答特性とその積層数依存性を詳細に調べた。その結果、これらデバイスが、チャネル半導体の極薄性に由来した分子認識センサ機能を示すことが明らかになった。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Field-Modulation Imaging of Ferroelectric Domains in Molecular Single-Crystal Films (2019)
  • Author(s): Y. Uemura, S. Arai, J. Tsutsumi, S. Matsuoka, H. Yamada, R. Kumai, S. Horiuchi, A. Sawa, and T. Hasegawa
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 11 Issue: 1
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.11.014046
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] SuPR-NaP Technique for Printing Ultrafine Silver Electrodes and its Use for Low-Voltage Operation of Organic Thin-Film Transistors (2018)
  • Author(s): G. Kitahara, K. Aoshima, J. Tsutsumi, H. Minemawari, S. Arai and T. Hasegawa
  • Journal Title: MRS Advances Volume: 3 Issue: 49 Pages: 2931-2936
  • DOI: 10.1557/adv.2018.423
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extended and Modulated Thienothiophenes for Thermally Durable and Solution-Processable Organic Semiconductors (2018)
  • Author(s): S. Inoue, S. Shinamura, Y. Sadamitsu, S. Arai, S. Horiuchi, M. Yoneya, K. Takimiya, and T. Hasegawa
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 30 Issue: 15 Pages: 5050-5060
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b01339
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Semiconductive single molecular bilayers realized using geometrical frustration (2018)
  • Author(s): Shunto Arai, Satoru Inoue, Takamasa Hamai, Reiji Kumai, and Tatsuo Hasegawa
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 印刷中 Issue: 23 Pages: 1707256-1707256
  • DOI: 10.1002/adma.201707256
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microscopic gate-modulation imaging of charge and field distribution in polycrystalline organic transistors (2018)
  • Author(s): Matsuoka Satoshi、Tsutsumi Jun'ya、Kamata Toshihide、Hasegawa Tatsuo
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 123 Issue: 13 Pages: 135301-135301
  • DOI: 10.1063/1.5016884
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of tunneling-based access resistance in layered single-crystalline organic transistors (2018)
  • Author(s): Takamasa Hamai, Shunto Arai, and Tatsuo Hasegawa
  • Journal Title: Journal of Materials Research Volume: 33 Issue: 16 Pages: 2350-2363
  • DOI: 10.1557/jmr.2018.171
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanosecond Time-Resolved Microscopic Gate-Modulation Imaging of Polycrystalline Organic Thin-Film Transistors (2018)
  • Author(s): Matsuoka Satoshi、Tsutsumi Jun’ya、Matsui Hiroyuki、Kamata Toshihide、Hasegawa Tatsuo
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 9 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.9.024025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tunneling and Origin of Large Access Resistance in Layered-Crystal Organic Transistors (2017)
  • Author(s): T. Hamai, S. Arai, H. Minemawari, S. Inoue, R. Kumai, and T. Hasegawa
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 8 Issue: 5 Pages: 0540111-12
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.8.054011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-voltage operation of organic thin-film transistors based on ultrafine printed silver electrodes (2017)
  • Author(s): Kitahara Gyo、Aoshima Keisuke、Tsutsumi Jun'ya、Minemawari Hiromi、Arai Shunto、Hasegawa Tatsuo
  • Journal Title: Organic Electronics Volume: 50 Pages: 426-428
  • DOI: 10.1016/j.orgel.2017.08.023
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unidirectionally Crystallized Stable n-type Organic Thin-Film Transistors Based on Solution-Processable Donor-Acceptor Compounds (2017)
  • Author(s): 柴田 陽生、堤 潤也、松岡 悟志、峯廻 洋美、荒井 俊人、熊井 玲児、長谷川 達生
  • Journal Title: Adv. Electron. Mater. （印刷中） Volume: 印刷中 Issue: 7 Pages: 1700097-1700097
  • DOI: 10.1002/aelm.201700097
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Interface-Mediated Self-Assembly in Inkjet Printing of Single-Crystal Organic Semiconductor Films (2017)
  • Author(s): Yoneya Makoto、Minemawari Hiromi、Yamada Toshikazu、Hasegawa Tatsuo
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 121 Issue: 16 Pages: 8796-8803
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b02143
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Organic Semiconductors for Advanced Printed Electronics (2019)
  • Author(s): Tatsuo Hasegawa
  • Organizer: The First International Conference of Polymeric and Organic Materials in Yamagata University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 有機材料システムの現状と今後の発展 (2019)
  • Author(s): 長谷川 達生
  • Organizer: 有機材料システムの「山形」が展開するフレキシブル印刷デバイス事業創成キックオフシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 層状結晶性有機半導体の結晶-結晶転移とアルキル鎖層秩序の役割 (2019)
  • Author(s): 荒井 俊人、井上 悟、東野 寿樹、田中 睦生、長谷川 達生
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] 層状結晶性有機半導体Ph-BTBT-C10の低温輸送特性Ⅲ (2019)
  • Author(s): 浜井 貴将、荒井 俊人、井上 悟、長谷川 達生
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] 有機強誘電薄膜の３次元ドメイン壁可視化技術 (2019)
  • Author(s): 上村 洋平、荒井 俊人、堤 潤也、松岡 悟志、熊井 玲児、堀内 佐智雄、長谷川 達生
  • Organizer: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 層状結晶性有機半導体の固相-固相転移とアルキル鎖秩序化の役割 (2019)
  • Author(s): 荒井 俊人、井上 悟、東野 寿樹、田中 睦生、長谷川 達生
  • Organizer: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 2分子膜構造を持つ有機トランジスタにおけるバンド伝導 (2019)
  • Author(s): 浜井 貴将、荒井 俊人、井上 悟、長谷川 達生
  • Organizer: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 高撥水性キャリア輸送界面を用いた塗布型有機トランジスタの低電圧・安定駆動 (2019)
  • Author(s): 北原 暁、浜井 貴将、松岡 悟志、荒井 俊人、長谷川 達生
  • Organizer: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 長鎖アルキル基を有する層状結晶性BBBT系有機半導体の開発 (2019)
  • Author(s): 東野 寿樹、荒井 俊人、長谷川 達生
  • Organizer: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Organic Semiconductors for Advanced Printed Electronics (2018)
  • Author(s): Tatsuo Hasegawa
  • Organizer: The 8th TOYOTA RIKEN International Workshop on " Organic Semiconductors
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 有機半導体単結晶薄膜の作製技術 (2018)
  • Author(s): 長谷川 達生
  • Organizer: 日本写真学会 第22回アンビエント技術研究会
  • Invited
• [Presentation] 有機強誘電体薄膜における結晶軸と分極ドメイン壁構造の相関 (2018)
  • Author(s): 上村 洋平、荒井 俊人、堤 潤也、松岡 悟志、熊井 玲児、堀内 佐智雄、長谷川 達生
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 層状結晶性有機半導体Ph-BTBT-C10の低温輸送特性II (2018)
  • Author(s): 浜井 貴将、荒井 俊人、峯廻 洋美、井上 悟、長谷川 達生
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 撥水性絶縁膜界面による塗布型有機トランジスタの安定駆動 (2018)
  • Author(s): 北原 暁、松岡 悟志、荒井俊人、長谷川達生
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 有機強誘電体薄膜における結晶軸と強誘電ドメイン壁の方位の相関 (2018)
  • Author(s): 上村 洋平、荒井 俊人、堤 潤也、松岡 悟志、熊井 玲児、堀内 佐智雄、長谷川 達生
  • Organizer: 2018年 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高撥水性キャリア輸送界面を用いた塗布型有機薄膜トランジスタの安定駆動 (2018)
  • Author(s): 北原 暁、浜井 貴将、松岡 悟志、荒井 俊人、長谷川達生
  • Organizer: 2018年 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 層数制御した超極薄単結晶有機薄膜トランジスタの環境応答特性 (2018)
  • Author(s): 山田 詩乃、荒井 俊人、井上 悟、長谷川 達生
  • Organizer: 2018年 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ヘリンボーン型層状分子配列におけるグレイン境界と薄膜トランジスタ特性 (2018)
  • Author(s): 荒井 俊人、井上 悟、熊井 玲児、長谷川達生
  • Organizer: 2018年 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] アルキル鎖により対称/非対称置換したBBBT 系材料の開発とTFT 特性 (2018)
  • Author(s): 東野 寿樹、長谷川 達生
  • Organizer: 2018年 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Use of Ultrafine Silver-Pattern Printing for Organic Thin-Film Transistors: Low-Voltage Operation with Ultrathin Polymer Gate-Dielectric Layers (2018)
  • Author(s): Gyo Kitahara, Keisuke Aoshima, Jun'ya Tsutsumi, Hiromi Minemawari, Shunto Arai, Tatsuo Hasegawa
  • Organizer: 2018 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Semiconductive Single Molecular Bilayers Realized Using Geometrical Frustration (2018)
  • Author(s): Shunto Arai, Satoru Inoue, Reiji Kumaim and Tatsuo Hasegawa
  • Organizer: The 8th TOYOTA RIKEN International Workshop on " Organic Semiconductors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Layered-crystalline organic semiconductors based on BBBT, tailored by introducing long alkyl chains: Synthesis, structures, and TFT properties (2018)
  • Author(s): Toshiki Higashino and Tatsuo Hasegawa
  • Organizer: The 8th TOYOTA RIKEN International Workshop on " Organic Semiconductors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プリンテッドエレクトロニクスに向けた界面機能の創成と物質科学 (2018)
  • Author(s): 長谷川達生
  • Organizer: 兵庫県立大 多重極限物質科学研究センター・シンポジウム『フォトサイエンスを基盤とした新奇物質科学の創生』
  • Invited
• [Presentation] 有機半導体単層２分子膜におけるヘリンボーン型分子配列とアルキル鎖層の役割 (2018)
  • Author(s): 荒井俊人、森田楓、堤潤也、田中睦生、長谷川達生
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 層数制御したPh-BTBT-C10単結晶薄膜の低温トランジスタ特性 (2018)
  • Author(s): 浜井貴将、荒井俊人、峯廻洋美、井上悟、長谷川達生
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 高撥水性ポリマー絶縁層上における塗布型有機半導体層構築とトランジスタ特性 (2018)
  • Author(s): 北原暁、堤潤也、荒井俊人、長谷川達生
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Single molecular bilayers of organic semiconductor molecules realized using geometrical frustration (2018)
  • Author(s): Shunto Arai, Satoru Inoue, Takamasa Hamai, Reiji Kumai, Tatsuo Hasegawa
  • Organizer: APS March Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Vertical tunneling transport and nonlinear access resistance in layered single-crystalline organic transistors (2018)
  • Author(s): Takamasa Hamai, Shunto Arai, Hiromi Minemawari, Satoru Inoue, Tatsuo Hasegawa
  • Organizer: APS March Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 塗布型電子材料の物質科学と高性能TFTへの応用 (2017)
  • Author(s): 長谷川達生
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 先進印刷エレクトロニクス技術 (2017)
  • Author(s): 長谷川達生
  • Organizer: 電子材料研究会・フレキシブルセラミックコーティング研究会
  • Invited
• [Presentation] 塗布型電子材料の物質科学と高性能TFTへの応用 (2017)
  • Author(s): 長谷川達生
  • Organizer: 東北大学金属材料研究所ワークショップ「多自由度・多階層性が協奏する物質材料システムの科学」
  • Invited
• [Presentation] 先進印刷技術を用いた層状分子集積システム構築とパイ電子機能の創出 (2017)
  • Author(s): 長谷川達生
  • Organizer: Π造形科学：電子と構造のダイナミズム制御による新機能創出 第４回領域全体会議
• [Presentation] 単層２分子膜によるパイ造形システムの構築 (2017)
  • Author(s): 長谷川達生
  • Organizer: Π造形科学：電子と構造のダイナミズム制御による新機能創出 第４回公開シンポジウム
• [Presentation] ダブルショットインクジェット印刷適合有機半導体材料の検討 (2017)
  • Author(s): 米谷慎、峯廻洋美、長谷川達生
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 有機薄膜トランジスタ特性におけるトンネル効果型アクセス抵抗の影響 (2017)
  • Author(s): 浜井貴将、荒井俊人、峯廻洋美、井上悟、長谷川達生
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 有機半導体単層２分子膜におけるヘリンボーン型層内分子配列とアルキル鎖層の役割 (2017)
  • Author(s): 荒井俊人、森田楓、堤潤也、井上悟、田中睦生、熊井玲児、長谷川達生
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 有機薄膜トランジスタの高速時間発展ゲート変調イメージングⅡ (2017)
  • Author(s): 松岡悟志、堤潤也、鎌田俊英、長谷川達生
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] SuPR-NaP 印刷銀電極上での低分子系塗布型有機半導体薄膜の構築とキャリア注入特性 (2017)
  • Author(s): 北原暁、井上悟、荒井俊人、長谷川達生
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 層間フラストレーションを用いた単層２分子膜の構築と膜内結晶構造 (2017)
  • Author(s): 荒井俊人、堤潤也、井上悟、熊井玲児、長谷川達生
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] ナノ秒時間発展ゲート変調イメージングによる多結晶性有機薄膜トランジスタの局所伝導経路マッピング (2017)
  • Author(s): 松岡悟志、堤潤也、鎌田俊英、長谷川達生
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 層状結晶性有機半導体Ph-BTBT-C10の低温輸送特性 (2017)
  • Author(s): 浜井貴将、荒井俊人、峯廻洋美、井上悟、長谷川達生
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] SuPR-NaP銀電極上への塗布型有機半導体層形成とキャリア注入 (2017)
  • Author(s): 北原暁、青島圭佑、井上 悟、荒井俊人、長谷川達生
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Book] 放射光利用の手引き (2019)
  • Author(s): 東北放射光施設推進会議推進室
  • Total Pages: 344
  • Publisher: アグネ技術センター
  • ISBN: 9784901496957
• [Remarks] わずか２分子の厚みの超極薄×大面積の半導体を開発－ 生体センシングデバイスの開発に期待
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/shared/press/data/setnws_201804261305359002642965_167516.pdf
• [Remarks] CMOSカメラを用いた強誘電薄膜のドメイン可視化技術 ― 強誘電ドメイン壁の３次元構造を捉える
  • URL: http://www.t.u-tokyo.ac.jp/foe/press/setnws_201901241012545486023254.html
• [Remarks] わずか２分子の厚みの超極薄×大面積の半導体を開発 － 生体センシングデバイスの開発に期待
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/foe/press/setnws_201804261305359002642965.html