高分子半導体におけるコヒーレント伝導発現要因の解明と伝導モデルの構築

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H05455
• Research Institution: Yamagata University
• Principal Investigator: 松井 弘之 山形大学, 有機材料システム研究科, 准教授 (80707357)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 有機電界効果トランジスタ / 有機半導体 / 高分子半導体 / ポリマー半導体 / ホール効果 / バンド計算 / 有効質量

Outline of Annual Research Achievements

本年度は以下に示す（１）分子骨格の異なる高分子半導体のデバイス作製と物性測定および（２）高分子半導体の構造－物性相関を調べるための周期的境界条件を課した密度汎関数法によるバンド計算に重点的に取り組んだ。
（１）昨年度まで取り組んでいたCDT-BTZ骨格の高分子半導体に加え、シクロペンタジチオフェン-チアジアゾロピリジン骨格を有する高分子半導体PCDT-PTおよびジケトピロロピロール骨格を有する高分子半導体PDPPF-DTT, PDPPT-DTTについて有機電界効果トランジスタを作製し、物性測定を行った。PCDT-PTトランジスタについては、電極層に銀ナノ粒子インク、絶縁層に架橋ポリビニルフェノールを用いることにより、全工程を塗布・印刷法によって作製した。PDPPF-DTTおよびPDPPT-DTTトランジスタについてはシリコンウエハ上に作製した。得られた移動度はそれぞれ0.31, 0.025, 0.10 cm2/Vsであった。
（２）高分子半導体の分子構造と伝導特性の相関を調べるため、4種の高分子半導体P3HT, PBTTT, PCDT-BTZおよびPDPPT-DTTについて周期的境界条件を課した密度汎関数法によるバンド計算を行い、実験結果と比較した。バンド計算によって得られた有効質量はそれぞれ0.27, 0.24, 0.16および0.23（自由電子を基準とした質量比）であり、ホール効果測定においてバンド伝導性が観測されたPCDT-BTZにおいて最も小さいことが分かった。このことは、高分子半導体の分子骨格によって決まる鎖内伝導特性も、ある程度バンド伝導性に寄与している可能性を示唆している。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

昨年度まで取り組んでいたPCDTBTZと分子骨格の異なる高分子半導体としてPCDTPT, PDPPFDTTおよびPDPPTDTTを選択したが、ホール効果測定に十分な移動度を得ることはできなかった。一方で、半導体層・電極層・絶縁層全てに塗布・印刷工程を用いることにより、Roll-to-Roll成膜に適したデバイス作製プロセスを構築することができた。
また、構造－物性相関の研究に関しては、周期的境界条件を課した密度汎関数法により高分子半導体のバンド計算を行うことで、分子骨格構造と電気伝導特性にある程度の相関性を見ることができた。
2016年4月より山形大学へ異動し、研究設備環境が大幅に変わったことが研究の進捗状況に少なからず影響した。

Strategy for Future Research Activity

高分子半導体合成を行う共同研究先と連携を続け、新たな高分子半導体についてデバイス作製と物性測定を行う。
また、PCDTPTなどの高分子半導体をベースにプリンテッド高速電子デバイスを作製し、演算増幅器や無線通信へ応用する。これにより、高分子半導体を用いた無線センサネットワークの分野を新たに開拓する。

Research Products

• [Journal Article] Printed Organic Inverter Circuits with Ultralow Operating Voltages (2017)
  • Author(s): Rei Shiwaku, Hiroyuki Matsui,* Kazuma Hayasaka, Yasunori Takeda, Takashi Fukuda, Daisuke Kumaki, and Shizuo Tokito*
  • Journal Title: Advanced Electronic Materials Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1002/aelm.201600557
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strain-Modulated Charge Transport in Flexible PbS Nanocrystal Field-Effect Transistors (2017)
  • Author(s): M. I. Nugraha, H. Matsui, S. Watanabe, T. Kubo, R. Haeusermann, S. Z. Bisri, M. Sytnyk, W. Heiss, M. A. Loi, J. Takeya
  • Journal Title: Advanced Electronic Materials Volume: 3 Pages: 1600360
  • DOI: 10.1002/aelm.201600360
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tunable doping in PbS nanocrystal field-effect transistors using surface molecular dipoles (2016)
  • Author(s): M. I. Nugraha, H. Matsui, S. Z. Bisri, M. Sytnyk, W. Heiss, M. A. Loi, J. Takeya
  • Journal Title: APL Materials Volume: 4 Pages: 116105
  • DOI: 10.1063/1.4966208
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Printed 2 V-operating organic inverter arrays employing a small-molecule/polymer blend (2016)
  • Author(s): R. Shiwaku, Y. Takeda, T. Fukuda, K. Fukuda, H. Matsui, D. Kumaki, S. Tokito
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Pages: 34723
  • DOI: 10.1038/srep34723
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Suppressing molecular vibrations in organic semiconductors by inducing strain (2016)
  • Author(s): T. Kubo, R. Haeusermann, J. Tsurumi, J. Soeda, Y. Okada, Y. Yamashita, N. Akamatsu, A. Shishido, C. Mitsui, T. Okamoto, S. Yanagisawa, H. Matsui, J. Takeya
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 7 Pages: 11156
  • DOI: 10.1038/ncomms11156
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The emergence of charge coherence in soft molecular organic semiconductors via the suppression of thermal fluctuations (2016)
  • Author(s): K. Sakai, Y. Okada, T. Uemura, J. Tsurumi, R. Haeusermann, H. Matsui, T. Fukami, H. Ishii, N. Kobayashi, K. Hirose, J. Takeya
  • Journal Title: NPG Asia Materials Volume: 8 Pages: e252
  • DOI: 10.1038/am.2016.30
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] インクジェット印刷電極を用いた5 V駆動有機オペアンプの開発 (2017)
  • Author(s): 松井弘之, 早坂和将, 竹田泰典, 塩飽黎,Kwon Jimin, Jung Sungjune, 田中康裕, 時任静士
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] 印刷技術で作製した超低電圧駆動有機インバータ回路 (2017)
  • Author(s): 塩飽黎, 松井弘之, 早坂和将, 竹田泰典, 福田貴, 熊木大介, 時任静士
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] 凸版反転印刷電極による有機トランジスタの作製と相補型集積回路応用 (2017)
  • Author(s): 竹田泰典, 早坂和将, 塩飽黎, 吉村悠大, 岡本朋子, 田中康裕, 松井弘之, 熊木大介, 片山嘉則, 時任静士
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] 印刷型有機Dフリップフロップの動的特性解析とその回路応用 (2017)
  • Author(s): 早坂和将, 松井弘之, 竹田泰典, 塩飽黎, 田中康裕, 芝健夫, 熊木大介, 時任静士
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] Fabrication of Fully-printed Organic Thin-film Transistors using Donor/acceptor Type Polymer Semiconductor (2016)
  • Author(s): Tomohide Murase, Noriyuki Kida, Rei Shiwaku, Hiroyuki Matsui, Daisuke Kumaki, and Shizuo Tokito
  • Organizer: ICFPE 2016
  • Place of Presentation: 山形大学（山形県、米沢市）
  • Year and Date: 2016-09-07 – 2016-09-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Printed Organic D-Flipflops with Compact Design (2016)
  • Author(s): Kazuma Hayasaka, Hiroyuki Matsui, Yasunori Takeda, Rei Shiwaku, Yasuhiro Tanaka, Takeo Shiba, Daisuke Kumaki, Shizuo Tokito
  • Organizer: ICFPE 2016
  • Place of Presentation: 山形大学（山形県、米沢市）
  • Year and Date: 2016-09-07 – 2016-09-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hybrid Complementary D-Flipflops of Carbon Nanotubes and Organic Semiconductors (2016)
  • Author(s): Hiroyuki Matsui, Vladimir Derenskyi, Jorge Mario Salazar-Rios, Artem Shulga, Widianta Gomulya, Shinji Kishimura, Jun Takeya, Maria Antonietta Loi
  • Organizer: ICFPE 2016
  • Place of Presentation: 山形大学（山形県、米沢市）
  • Year and Date: 2016-09-07 – 2016-09-07
  • Int'l Joint Research
• [Remarks]
  • URL: http://matsui-lab.yz.yamagata-u.ac.jp/