2016 Fiscal Year Annual Research Report
Epitaxial growth of high-mobility organic semiconductor single crystal films using liquid crystal solvent
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15H03982
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
藤掛 英夫 東北大学, 工学研究科, 教授 (20643331)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石鍋 隆宏 東北大学, 工学研究科, 准教授 (30361132)
柴田 陽生 東北大学, 工学研究科, 助教 (70771880)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 可溶性有機半導体 / 単結晶薄板 / 液晶溶媒 / エピタキシャル成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代のフレキシブルエレクトロニクスを構築するには、真空成膜でなく塗布・印刷製法が可能で高移動度の有機半導体が必要になる。本研究は、分子配向性の液晶溶媒と高分子配向膜を用いて、可溶性有機半導体の単結晶方位の制御技術を構築し、電界効果トランジスタに応用することを目的とする。初年度にはラビング配向膜付き基板で有機半導体の液晶溶液を挟むことで単結晶の析出成長が認められたため、2年目となる28年度は、配向制御が容易な光配向膜上に溶液を塗布することで、単結晶方位を制御することに取り組んだ。
表面が偏光紫外線を吸収して分子構造が異方性化する高分子の光配向膜では、照射する紫外線の偏光方向を変えることで、塗布溶液の分子配向を制御できる。ここでは、加熱した半導体溶液を光配向膜上にスピンコート法により塗布した。その溶液は、直交した偏光板による光学的観察から、分子が配向していることが確認できた。その後、塗布溶液は室温に戻されて過飽和状態となり、単結晶の析出・成長が促された。最後に液晶溶媒をエタノールで取り除いた結果、結晶形態が異方性化した薄板状の単結晶形成が認められた（面内サイズ100～200μm、厚み400～500nm）。さらに、光配向膜に照射する紫外線偏光を面内で90°違えて2分割した基板に溶液を塗布することで、結晶群の面内制御が可能になることが分かった。
なお単結晶薄板は、エタノール洗浄時に基板から剥離しやすいものであった。そこで、単結晶の基板定着を促進するため、液晶溶液に微量のモノマーを添加して単結晶析出後に紫外線を照射し、単結晶・基板間に微小なポリマーを形成することを試みた。その結果、重合の酸素阻害が起こりにくい厚い塗布溶液では、単結晶薄板が固定されることが分かった。またトランジスタの試作に向けて、単結晶への金属電極形成の実験環境整備を行うとともに、ゲート絶縁膜を設けた基板を作製した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
28年度の目標は、基板上に塗布した有機半導体・液晶溶液の分子配向を光配向膜で制御することにより、溶液中に析出する有機半導体単結晶の結晶方位を制御することであった。塗布工程と光配向膜を用いた試作実験の結果、トランジスタ応用が可能な単結晶薄板を形成でき、その結晶方位を的確に制御できることが明らかになった。そのため、おおむね目標を達成できたと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、光配向膜上に形成された有機半導体単結晶板を用いて有機トランジスタを構成するため、最適なデバイス構造を検討するとともに、電界スイッチングが可能なデバイスの試作を図る。ここでは、単結晶薄膜に有機半導体の単結晶にゲート・ソース・ドレイン電極とゲート絶縁膜を設けることで、有機トランジスタの基本特性を測定する。これにより、ゲートチャンネルの結晶方位を制御して、有機トランジスタを高性能化・小型化・集積化するための知見を得る。
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