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2019 Fiscal Year Annual Research Report

Giant strain effect of charge transport in organic single-crystal semiconductors and flexible mechano-electronics

Research Project

Project/Area Number 17H06123
Research InstitutionThe University of Tokyo

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)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小林 伸彦  筑波大学, 数理物質系, 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)
Project Period (FY) 2017-05-31 – 2022-03-31
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
Outline of Annual Research Achievements

①超薄膜有機半導体結晶/高分子層の複合物質の開発:厚さ分子3層分程の極薄有機半導体単結晶膜4インチ級ウエハー作製に成功、1,600個のトランジスタを作製し、平均電荷移動度が実用化の指標となる10 cm2/Vs以上を示すことを実証した(S. Watanabe, J. Takeya, Scientific Reports, 9, 15897 (2019))。また印刷法にて、有機半導体単結晶膜を水を用いて結晶性を維持したまま基板から剥離させ、厚さわずか分子数層分の超薄膜を作製することに成功した。(S. Watanabe, J. Takeya, Proceedings of the National American of Sciences, 117, 80 (2019))。
②構造物性研究:有機半導体単結晶と基板界面の分子の形状を0.1ナノメートルの精度で決定することに成功し、基板に物理吸着するだけで単結晶を構成する全ての分子の形状が一斉に変化することを明らかにした( N. Kobayashi, S. Watanabe, J. Takeya, Communications Physics, 3, 20 (2020))。
③歪効果の電子物性研究:中性子散乱やテラヘルツ分光計測を用いたフォノンの直接観測に成功し有機半導体における分子振動及びフォノンの影響を明らかにした。(S. Watanabe, J. Takeya, V. Podzorov, Advanced Science, 1901824 (2019))。
④ドナーアクセプタ電荷移動界面デバイス:有機半導体の電子状態制御原理を明らかにし、電子状態を精密に制御した金属的な性質を示すプラスチックの実現に成功した(J. Takeya, S. Watanabe, Nature, 572, 634 (2019))。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

①超薄膜有機半導体結晶/高分子層の複合物質の開発:有機半導体薄膜を印刷法により製膜する際には、塗布下地の層として溶剤耐性や熱耐久性等、多くの性能が要求されていたが、印刷法により製膜した有機半導体単結晶膜を、水を用いて結晶性を維持したまま基板から剥離させ厚さわずか分子数層分程度の厚みを有する超薄膜を作製することに成功した。
②構造物性研究:応力下構造変化の機構解明、歪導入有機半導体単結晶の構造解析:これまで、X線回折・反射測定などによって分子配置を実測する手法の開発に取り組み、有機半導体単結晶が基板表面に張り付いた際の基板界面の分子の形状を0.1ナノメートルの精度で決定することに成功した。このことにより、有機半導体単結晶が基板に物理吸着するだけで単結晶を構成する全ての分子の形状が一斉に変化することを明らかにした。
③歪効果の電子物性研究:歪導入有機半導体単結晶のフォノンと電子の相互作用:より詳細な磁場中及び低温での電子物性計測を進め、低温の電子スピン共鳴実験によってスピン輸送の実験的研究を展開した。その結果、高い移動度と1ミリ秒以上の長スピン緩和時間を両立できる本有機半導体が、グラフェンや無機半導体を上回るスピン輸送能を示し、電力消費のないスピンによる情報処理(スピントロニクス)に利用可能であることを示した。
④ドナーアクセプタ電荷移動界面デバイス:歪による電子状態変化と誘起電荷移動の物性研究:ドナーアクセプタ界面を用いて、化学的にドープする手法を開発しこの課題を解決した。イオン交換を用いて有機半導体を高密度に化学ドーピングすることに世界で初めて成功したもので、有機半導体の電子状態を制御する革新的な原理を明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

①超薄膜有機半導体結晶/高分子層の複合物質の開発:これまで得られた手法を用いて、超薄膜有機半導体結晶(分子層単結晶有機半導体)を様々な機能性高分子材料と組み合わせた複合物質の開発を行う。これまでは外圧を用いて基板を曲げるものであったが、基板を曲げることなく、光、熱、電界に応答する様々な高分子との組み合わせによって基板に歪を加える手法の自由度を広げることを試みる。
②構造物性研究(応力下構造変化の機構解明、歪導入有機半導体単結晶の構造解析):課題として、応力下で有機半導体単結晶が基板上を滑り応力がかからない状態が生ずる事も予想される。このために、引き続き構造解析の専門家と共に共同研究を実施し、歪み下での詳細な構造解析のため透過電子線を用いた局所構造の測定を精密化する研究を進める。
③歪効果の電子物性研究(歪導入有機半導体単結晶のフォノンと電子の相互作用):今後さらに詳細な磁場中及び低温での電子物性計測を進めることを計画している。筑波大学小林グループが実験結果をもとに、低温での電子ガス状態実現に必要な課題を分析し低温でのより高い伝導度の実現を目指す。応力によってさらに数倍程度高い伝導度が得られると、有機半導体で初めての低温金属状態を実現できると期待されるため、二次元電子ガスの金属絶縁体転移、超伝導など新規な電子凝縮相の実現など、豊富な凝縮系物性物理の新分野の創成が期待される。
④ドナーアクセプタ電荷移動界面デバイス(歪による電子状態変化と誘起電荷移動の物性研究):新たな効果として移動度が変化するだけでなく、バンド幅の増加によって、キャリアが移動する現象も期待され、予備的な実験によって確認済みである。歪誘起のキャリア量変調を実現で
きれば、フィルムを振動させた際に、電荷の動きを発電に用いることが可能となるため、新奇なエネルギーハーベストデバイスとしての可能性を探る。

  • Research Products

    (31 results)

All 2020 2019 Other

All Journal Article (15 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 15 results,  Open Access: 14 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 11 results) Remarks (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (3 results) (of which Overseas: 2 results)

  • [Journal Article] Charge mobility calculation of organic semiconductors without use of experimental single-crystal data2020

    • Author(s)
      H. Ishii*, S. Obata*, N. Niitsu, S. Watanabe, H. Goto, K. Hirose, N. Kobayashi, T. Okamoto, and J. Takeya
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10 Pages: 2524

    • DOI

      10.1038/s41598-020-59238-2

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] High‐Speed Organic Single‐Crystal Transistor Responding to Very High Frequency Band2020

    • Author(s)
      Akifumi Yamamura, Takaaki Sakon, Kayo Takahira, Takahiro Wakimoto, Mari Sasaki, Toshihiro Okamoto Shun Watanabe, and Jun Takeya
    • Journal Title

      Advanced Functional Materials

      Volume: 30 Pages: Issue 11

    • DOI

      10.1002/adfm.201909501

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Sub-molecular structural relaxation at a physisorbed interface with monolayer organic single-crystal semiconductors2020

    • Author(s)
      Akifumi Yamamura, Hiromasa Fujii, Hirohito Ogasawara, Dennis Nordlund, Osamu Takahashi, Yuutaro Kishi, Hiroyuki Ishii, Nobuhiko Kobayashi, Naoyuki Niitsu, Balthasar Blülle, Toshihiro Okamoto, Yusuke Wakabayashi*, Shun Watanabe* & Jun Takeya*
    • Journal Title

      Communications Physics

      Volume: 3 Pages: number: 20

    • DOI

      10.1002/adfm.201909501

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] High-performance, semiconducting membrane composed of ultrathin, single-crystal organic semiconductors2020

    • Author(s)
      T. Makita, S. Kumagai, A. Kumamoto, M. Mitani, J. Tsurumi, R. Hakamatani, M. Sasaki, T. Okamoto, Y. Ikuhara, S. Watanabe*, and J. Takeya*
    • Journal Title

      PNAS

      Volume: 117(1) Pages: 80-85

    • DOI

      10.1073/pnas.1909932116

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Solution-processed exible metal-oxide thin-lm transistors operating beyond 20MHz2020

    • Author(s)
      Xiaozhu Wei, Shohei Kumagai*, Kotaro Tsuzuku, Akifumi Yamamura, Tatsuyuki Makita, Mari Sasaki, Shun Watanabe*, and Jun Takeya
    • Journal Title

      Flexible and Printed Electronics

      Volume: 5 Pages: 015003

    • DOI

      10.1088/2058-8585/ab603b

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Validity of the Mott formula and the origin of thermopower in π-conjugated semicrystalline polymers2019

    • Author(s)
      S. Watanabe, M. Ohno, Y. Yamashita, T. Terashige, H. Okamoto, and J. Takeya
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 100 Pages: 241201(R)

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.100.241201

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Scalable Fabrication of Organic Single-Crystalline Wafers for Reproducible TFT Arrays2019

    • Author(s)
      S. Kumagai*, A. Yamamura, T. Makita, J. Tsurumi, Y. Y. Lim, T. Wakimoto, N. Isahaya, H. Nozawa, K. Sato, M. Mitani, T. Okamoto, S. Watanabe*, and J. Takeya*
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 9 Pages: 15897

    • DOI

      10.1038/s41598-019-50294-x

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Efficient molecular doping of polymeric semiconductors driven by anion exchange2019

    • Author(s)
      Y. Yamashita, M. Ohno, J. Tsurumi, S. Kumagai, T. Kurosawa, T. Okamoto, J. Takeya, and S. Watanabe,
    • Journal Title

      Nature

      Volume: 572 Pages: 634-638

    • DOI

      10.1038/s41586-019-1504-9

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Air-Stable Benzo[c]thiophene Diimide n Type πElectron Core2019

    • Author(s)
      C. P. Yu, R. Kimura, T. Kurosawa, E. Fujisaki, T. Watanabe, H. Ishii, S. Kumagai, M. Yano, J. Takeya, and T. Okamoto
    • Journal Title

      Org. Lett.

      Volume: 21 Pages: 4448-4453

    • DOI

      10.1021/acs.orglett.9b01239

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Selective triplet exciton formation in a single molecule2019

    • Author(s)
      K. Kimura, K. Miwa, H. Imada, M. Imai-Imada, S. Kawahara, J. Takeya, M. Kawai, M. Galperin, and Y. Kim
    • Journal Title

      Nature

      Volume: 570 Pages: 210

    • DOI

      10.1038/s41586-019-1284-2

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] High carrier density, electrostatic doping in organic single crystal semiconductors using electret polymers2019

    • Author(s)
      N.Kasuya, S.Imaizumi, S.Lectard, H. Matsui, S. Watanabe, and J. Takeya,
    • Journal Title

      Appl. Phys. Express

      Volume: 12 Pages: 071001

    • DOI

      10.7567/1882-0786/ab23ca

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Transmission electron diffraction study of a uniaxially-ordered high-mobility polymeric semiconductor2019

    • Author(s)
      M.Sasaki, Y.Yamashita, H. Matsui, Y.Oshima, and J. Takeya,
    • Journal Title

      Microscopy

      Volume: 68-2 Pages: 167-173

    • DOI

      10.1093/jmicro/dfy139

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A Large Anisotropic Enhancement of the Charge Carrier Mobility of Flexible Organic Transistors with Strain: A Hall Effect and Raman Study2019

    • Author(s)
      Hyun Ho Choi, Hee Taek Yi, Junto Tsurumi, Jae Joon Kim, Alejandro L. Briseno, Shun Watanabe, Jun Takeya, Kilwon Cho, and Vitaly Podzorov,
    • Journal Title

      Advanced Science

      Volume: 7 Pages: 1901824

    • DOI

      10.1002/advs.201901824

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Evaluating intrinsic mobility from transient terahertz conductivity spectra of microcrystal samples of organic molecular semiconductors2019

    • Author(s)
      Hiroyuki Yada, Hiroshi Sekine, Tatsuya Miyamoto, Tsubasa Terashige, Ryusuke Uchida, Takashi Otaki, Fumiya Maruike, Noriaki Kida, Takafumi Uemura, Shun Watanabe, Toshihiro Okamoto, Jun Takeya, and Hiroshi Okamoto
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 115 Pages: 143301

    • DOI

      10.1063/1.5118262

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Second highest occupied molecular orbital effects on the valence band structure of organic semiconductors2019

    • Author(s)
      Y. Kuroda, H. Ishii, S. Yoshino, and N. Kobayashi*
    • Journal Title

      J. Appl. Phys

      Volume: 58 SIIB27 Pages: 1-5

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab19b0

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Solution-Crystalized Large-Area Organic Semiconductor Films and High-Performance Organic Circuits2019

    • Author(s)
      J. Takeya
    • Organizer
      MRS Fall Meeting
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Supramolecular Alchemy towards Thermoelectric Devices2019

    • Author(s)
      S. Watanabe
    • Organizer
      Workshop on Thermal and Charge Transport across Flexible Nano-Interfaces (TCTFN 2019)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 分子とイオンとその隙間で制御する新しい金属ポリマー分子2019

    • Author(s)
      渡邉峻一郎
    • Organizer
      19-4ポリマーフロンティア21 「パイ電子系分子の集合体からなる半導体の可能性」
    • Invited
  • [Presentation] 高移動度有機半導体のスピン緩和2019

    • Author(s)
      竹谷 純一,鶴見 淳人, 渡邉 峻一郎
    • Organizer
      応用物理学会
    • Invited
  • [Presentation] 分子とイオンとその隙間で作る新しい金属プラスチック2019

    • Author(s)
      渡邉峻一郎
    • Organizer
      応用物理学会M&BE研究会
    • Invited
  • [Presentation] Molecular Alchemy towards plastic metal2019

    • Author(s)
      渡邉峻一郎
    • Organizer
      RIKEN CEMS meeting
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Supramolecular Alchemy2019

    • Author(s)
      渡邉峻一郎
    • Organizer
      RIKEN topical meeting
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] High-performance printed two-dimensional organic semiconductors for sustainable electronics2019

    • Author(s)
      J. Takeya
    • Organizer
      IUPAC2019
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Surface doping in organic semiconductor single crystals: creation of high-mobility and high-carrier-density conducting sheet2019

    • Author(s)
      J. Takeya
    • Organizer
      ICMAT2019
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 有機半導体単結晶における電荷とスピン輸送2019

    • Author(s)
      渡邉峻一郎
    • Organizer
      応用物理学会M&BE研究会
    • Invited
  • [Presentation] Large-Area Organic Single-Crystal Semiconductors for Integrated Circuits2019

    • Author(s)
      J. Takeya
    • Organizer
      MRS Spring Meeting 2019
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] Takeya・Okamoto Laboratory Organic Electronics

    • URL

      http://www.organicel.k.u-tokyo.ac.jp/

  • [Remarks] 筑波大学 数理物質科学研究科 電子・物理工学専攻 小林研究室

    • URL

      http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~cmslab/

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 有機半導体デバイスのソース/ドレイン用電極、それを用いた有機半導体デバイス、及びそれらの製造方法2019

    • Inventor(s)
      竹谷純一、渡邉峻一郎、牧田龍幸
    • Industrial Property Rights Holder
      東京大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2019-160732
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 有機半導体素子、歪センサ、振動センサ及び有機半導体素子の製造方法2019

    • Inventor(s)
      竹谷純一、渡邉俊一郎、八重樫圭太、山下侑
    • Industrial Property Rights Holder
      東京大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      PCT/JP2019/034672
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 導電性ポリマー材料及びその製造方法、高分子膜及びその製造方法、導電性高分子膜、光電変換素子並びに電界効果トランジスタ2019

    • Inventor(s)
      竹谷純一、渡邉俊一郎、山下侑
    • Industrial Property Rights Holder
      東京大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      PCT/JP2019/041411
    • Overseas

URL: 

Published: 2021-01-27  

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