2020 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, 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, 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 / 歪センサー / センサー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大面積有機半導単結晶を用いた高感度の歪みセンサの開発に成功した。有機半導体単結晶膜は簡便な印刷法を用いて大量製造が可能であり、実用化に必要な高い移動度を有しているが、分子が弱い相互作用で集合した有機半導体単結晶において、電子を安定的に供給するドーピング手法の開発が遅れていた。有機半導体単結晶薄膜とドーパント溶液を接触させるだけの簡易な手法を用いて、有機半導体表面に非破壊で高密度に二次元電子系を形成することに成功した。有機半導体単結晶が本質的に有する高い歪み応答性を維持したまま、デバイスの低抵抗化が可能となり、従来の金属製歪みセンサの10倍程度の感度を有する歪みセンサの開発に成功した。本研究成果は、ドイツの科学雑誌「Advanced Science」2020年12月18日版に掲載された。また、下記プレスリリースを行い(2020/12/21)、日本経済新聞などメディアに掲載された。
“Surface doping of organic single-crystal semiconductors to produce strain-sensitive conductive nanosheets”, S.Watanabe, R. Hakamatani, K. Yaegashi, Y. Yamashita, H. Nozawa, M. Sasaki, S. Kumagai, T. Okamoto, C. G. Tang, Lay-Lay Chua. P. K. H. Ho, and J. Takeya, Adv. Sci. 2020, 2002065, doi.org/10.1002/advs.202002065。
広報発表「大面積有機半導単結晶を用いた高感度の歪みセンサを開発―有機半導体の表面に選択的に形成された二次元電子系が鍵―」
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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
原子や分子の集合体構造の一つである単結晶は、結晶格子に原子や分子が周期的に配列した構造を有している。この結晶の周期性を解明し制御することにより電子の流れやすさなどの物性改善を達成し、有機半導体単結晶のみに特有な巨大歪み応答効果の顕著な発現を達成した。
半導体の電子状態を制御する上で不純物ドーピングが不可欠であるが、シリコンにおける不純物ドーピングは格子を形成するシリコン原子を別の原子に置き換えることで達成されていた。一方で、有機半導体をドーピングする際にはユニークな形やサイズを有する有機半導体分子とドーパント分子を複合化する必要があり、単結晶性が乱れる課題があった。このため、ドーピング後には、単結晶で得られる高い電子性能を維持することは不可能であった。今回、有機半導体単結晶薄膜をドーパント分子が溶解した溶液に浸漬するだけの簡易な手法を開発し、有機半導体の表面のみにドーパント分子を反応させ、非破壊かつ高密度の不純物ドーピングを達成した。ドーピング後でも、有機半導体の単結晶性が維持され、表面に高密度の二次元電子系が形成されていることを確認している。簡便な手法を用いて、有機半導体単結晶デバイスの抵抗を精密に制御でき、適切なドーピングを施すことにより抵抗値を7桁以上下げることが可能となっている。また、結晶性が完璧に保持されているため、単結晶性に特有の巨大歪み応答効果が顕在化することを確認した。その結果、外部からの応力に敏感に応答し、抵抗値が変わるフレキシブル歪みセンサーを実証することに成功し、この基盤技術を用いて厚さ7マイクロメートルのフレキシブル基板上に有機半導体を印刷し、さまざまな曲面に貼り付け可能な歪みセンサーの開発を行った。開発したセンサーの感度は従来の金属製歪みセンサーの10倍程度であり、繰り返しの使用にも耐える安定性も有していることが明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
共同研究体制として、わずか数分子層厚の結晶構造解析を達成する上で、当初共同研究を進めていたドイツTubingen大学のFrank Schreiber教授に加えて、東北大学の若林祐助教授・スタンフォード大学SLAC加速器研究所の小笠原寛人研究員、北陸先端大の大島義文教授、東京大学の幾原雄一教授らと新たに共同研究体制を構築し、上記のような顕著な業績が得られつつある。また、有機半導体における分子振動及びフォノンの影響が明らかとなりつつあることから、低周波ラマン分光計測だけでなく、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を実施するために、東北大学の若林祐助教授、Cambridge大学Henning Sirringhaus教授共に共同研究を実施する体制を新たに構築ており、この体制を推進する。
集積回路と組み合わせて無線電子タグの実装をパイクリスタル社と共同で行い、最終的には、竹谷の研究室が運営する産学連携コンソーシアム「ハイエンド半導体研究開発・研修センター」のメンバー企業との共同研究、及び産学連携実用化研究プロジェクトを通じて集積デバイス化を進めて、実用化に結びつけるアクションを取り進める。具体的には、本研究の結果得られた高感度の振動センサと、すでに開発済みの有機半導体温度センサを組み合わせて、物流途中での温度履歴と振動履歴をトレースする電子タグデバイスを、パイクリスタル社が開発中である。柏の葉キャンパスエリアにおいて、当地区の開発事業を主導する三井不動産株式会社と本研究グループを中心として、トッパン・フォームズ社や日立物流社が参画するコンソーシアムを形成し、実証実験をスタートする。
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[Journal Article] Surface doping of organic single-crystal semiconductors to produce strain-sensitive conductive nanosheets2020
Author(s)
S.Watanabe, R. Hakamatani, K. Yaegashi, Y. Yamashita, H. Nozawa, M. Sasaki, S. Kumagai, T. Okamoto, C. G. Tang, Lay-Lay Chua. P. K. H. Ho, and J. Takeya
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Journal Title
Adv. Sci.
Volume: 8
Pages: 2001065
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Cooperative Aggregations of Nitrogen-Containing Perylene Diimides Driven by Rigid and Flexible Functional Groups2020
Author(s)
S. Kumagai, H. Ishii, G. Watanabe, T. Annaka, E. Fukuzaki, Y. Tani, H. Sugiura, T. Watanabe, T. Kurosawa, J. Takeya, and T. Okamoto
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Journal Title
Chem. Mater.
Volume: 32
Pages: 9115-9125
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Robust, high-performance n-type organic semiconductors2020
Author(s)
T. Okamoto, S. Kumagai, E. Fukuzaki, H. Ishii, G. Watanabe, N. Niitsu, T. Annaka, M. Yamagishi, Y. Tani, H. Sugiura, T. Watanabe, S. Watanabe, and J. Takeya
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Journal Title
Sci. Adv.
Volume: 6
Pages: eaaz0632
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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