2017 Fiscal Year Research-status Report
Development of novel electronic properties of organic semiconductor thin films by field-effect doping and their characterization
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17K05506
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| Research Institution | Toyota Physical and Chemical Research Institute |
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Principal Investigator |
黒田 新一 公益財団法人豊田理化学研究所, フェロー事業部門, フェロー (20291403)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊東 裕 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (10260374)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電界ドーピング / 有機半導体 / 電子スピン共鳴 / 電荷キャリア / スピン状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では有機FET構造を用い、研究代表者らが開発に成功した電場誘起電子スピン共鳴（ESR）によりFET界面に注入されたキャリアを直接ミクロに観測し、それと相補的に伝導特性を測定する。固体絶縁膜やイオン液体絶縁膜を用いたFET構造により、広範囲の濃度領域での有機半導体への電界ドーピングを実現し物性や機能の発現を探索・解明する。今年度は固体絶縁膜FETでは低分子系のESRを、またイオン液体絶縁膜FETでは高分子系の伝導特性を中心に研究を行い、以下の成果を得た。
１．チエノチオフェン系高移動度低分子であるC10-DNTTの薄膜FETでは、ESR信号線幅の運動効果から、結晶グレイン内及びグレイン間のキャリア運動の活性化エネルギーEaがそれぞれ、約1meVおよび約10meVと、有機FETの中でも格段に低いことをすでに示していた。今回、Eaのゲート電圧依存性から、高キャリア注入下ではEaが明瞭に減少することを明らかにし、その変化率から移動度端付近でのトラップ状態密度が議論できることを示した。得られた結果は同型物質の単結晶FETで報告されている値と比較的良い一致を示し、状態密度への理解が深まった。さらに、極低温におけるESR線幅が超微細相互作用による不均一線幅となる極限値を予想し、その値と最近の溶液中カチオンラジカルESRの超微細分裂幅との比較から、キャリア波動関数の空間広がりが100分子に達することをはじめて示し、バンド的な伝導機構をミクロに支持する結果を得た。
2．チエノチオフェン系高移動度高分子であるPBTTTのイオン液体トランジスタでは、高濃度キャリアドープを行い、直流伝導度の温度依存性および磁気抵抗効果の測定から、従来のESRの結果に加えて100K以上ではマクロな伝導特性でも明瞭な金属性を示すことを明らかにすることに成功した。
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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
本研究は現在のところおおむね順調に進展している。チエノチオフェン系低分子C10-DNTTでは、固体絶縁膜を用いたFETのESRにより、極低温域での結晶グレイン間のキャリア運動の直接観測やトラップ状態密度の評価を行うと共に、100分子に及ぶキャリア波導関数の広がりを明らかにするなどインパクトのある結果を得ており、国際会議での口頭講演も行っている。一方、チエノチオフェン系高分子PBTTTでは、イオン液体を用いた広範囲の濃度領域でのドーピング制御により、強い局在したキャリアから弱局在領域、さらに金属領域へ、ESR信号の変化に対応したマクロ伝導挙動の変化が見出されており、金属絶縁体転移のメカニズムが解明されつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
固体絶縁膜FETではチエノチオフェン系高移動度分子を対象とした系統的研究を進める。前年度のC10-DNTTに加えて、アルキル鎖のないDNTT、またアルキル鎖を有するがDNTTよりπ共役系コアサイズの小さいC8-BTBTを系統的に比較し、アルキル鎖の有無やπ共役系コアサイズが移動度へ及ぼす影響をミクロな観点から明らかにする。またPBTTTと並んで代表的な結晶性高分子であるP3HTのFETでは、キャリア濃度に依存したスピン状態として、高キャリア濃度域でのポーラロン対やバイポーラロンの生成とその温度依存性について調べる。一方、チエノチオフェン系高分子PBTTTのイオン液体トランジスタについては、主鎖配向制御等の製膜方法の最適化によりさらに低温までの金属伝導の発現を目指すとともに、ホール係数の測定によりキャリア密度を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
平成29年度は、伝導特性の測定に於いて既存のPBTTT材料粉末と既存の基板材料を用いて実験を行うことができ、新規の材料を買う必要がなかったため、平成30年度に繰り越した。平成30年度は、新しい材料の購入が必要であり、またホール係数測定用に新規基板材料が必要になるため、高分子材料、基板材料費が必要になる。
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