2018 Fiscal Year Annual Research Report
Giant strain effect of charge transport in organic single-crystal semiconductors and flexible mechano-electronics
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17H06123
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
竹谷 純一 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (20371289)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 伸彦 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (10311341)
渡邉 峻一郎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 特任准教授 (40716718)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | 有機半導体 / 単結晶 / メカノエレクトロニクス / 分子振動 / センサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、フレキシブルな有機半導体における巨大なメカノエレクトロニクス応答のメカニズムを解明し、超高感度歪センサや振動発電によるエネルギーハーベストなどの新機軸に道を拓くことを目的とし、初年度、2年度の研究を研究計画どおりに進めた。フレキシブルメカノエレクトロニクス素子を構成する最重要ビルディングブロックは、超薄膜の有機半導体単結晶である。3年目の今年度は、昨年度成膜に成功した厚み方向にわずか2分子層で形成される超薄膜有機半導体単結晶膜の物性特性解明並びに特性改善を推し進めた。活動の成果は、「理想的な電子素子としての高速回路動作用のウエハスケールの層制御有機単結晶2D有機単結晶」（Sci. Adv.誌）、「溶液処理有機単結晶トランジスタにおける著しく低いフリッカ雑音」（Communications Physics誌）の論文として掲載された。この分野の注目技術として科学同人誌に記事を掲載した。「印刷プロセスで大面積完全二次元有機単結晶ナノシートを実現！──高速有機集積回路への応用展開に期待」、化学 7月号, 2018/06/18 （科学同人）
また、これらの成果とこれまでの実績を基に分担研究者の渡邉峻一郎特任准教授が「日本物理学会第13回若手奨励賞」を受賞した。
更に、電子物性と理論研究を融合し１～2分子層で形成される超薄膜有機半導体単結晶の理論解析を行い原子構造・電子状態変化を明らかにするとともに、密度汎関数理論に基づく量子ダイナミクス計算により歪導入有機半導体単結晶の定量的な移動度予測を可能とした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
フレキシブルメカノエレクトロニクス素子のコアである２分子層からなる超薄膜有機半導体単結晶の形成を簡単なワンショット溶液プロセスで実証した。このプロセスの実証は、センサ素子やセンサ信号の高速処理回路を実現する上で最重要な課題を解決できたと言える。
また、下記５項目を掲げ並行して研究を進め多くの成果を挙げることができている。テーマ①超薄膜分子層結晶の複合材料の作製プロセスの確立においては、分子形状と分子軌道形態の制御による革新的有機半導体材料の開発、BQQDI骨格への位置選択的なシアノ基導入とその電界効果トランジスタ特性検討、等を進め学会発表を行っている。テーマ②構造物性においては、塗布型有機半導体単分子層単結晶の構造変化とキャリア伝導の検討、機械学習による有半導体の構造研究、等を進め学会発表を行っている。テーマ③電子物性と理論研究を融合したフォノンと伝導度のミクロな結合メカニズムの解明、並びにテーマにおいては構造、電子状態、移動度解析を予定通り進めている。テーマ④ドナーアクセプタ電荷移動界面デバイス創成においては、高性能有機トランジスタ回路のフォノンとスピンの関係、並びに、有機半導体のフォノンとフレキシブルメカノエレクトロニクス、との題名で招待講演を行った。テーマ⑤センサとプリンテッドLSIを組み合わせたフレキシブルメカノエレクトロニクスデバイス創成においては、有機半導体単結晶の巨大歪み効果と振動センサへの応用を検討し学会発表を行っている。更に、米Rutgers大教授を招き（5ヵ月間）共同研究を進め、「Hall効果とRaman分光法によるフレキシブル有機半導体結晶の固有移動度 - ひずみ関係」の検討結果を論文投稿済みである。
以上、当初２年間に計画した項目を達成しただけでなく、研究計画を前倒しし基盤技術の確立を進めることができたため、研究計画は当初の予定より進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
超薄膜有機半導体分子の電子と分子振動の相関の普遍性これまでに確認したが、スピン共鳴やラマン分光計測技術をベースに更にその物性を掘り下げ、室温で高移動度を実現する物質開拓を進める。また、歪に伴う電子状態の変化を理論・実験の両側面から系統的に調査する。超薄膜半導体表面のアクセプタ性分子ドーピング法を更に進め、高感度歪センサ、振動センサ、加速度センサ等に応用するデバイス実装を目指す。
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Research Products
(23 results)
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[Journal Article] Wafer-scale, layer-controlled organic single crystals for high-speed circuit operation2018
Author(s)
A. Yamamura, S. Watanabe, M. Uno, M. Mitani, C. Mitsui, J. Tsurumi, N. Isahaya, Y. Kanaoka, T. Okamoto, and J. Takeya
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Journal Title
Science Advances
Volume: 4
Pages: eaao5758
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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