2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a Simple and Scalable Method for Organic Semiconductor Single Crystal Growth and Formation of Multi-Single Crystal Thin Films for Applications in Field-Effect Transistor-Based Devices.
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22K14293
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
Bulgarevich Kirill 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 特別研究員 (60880268)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 有機半導体 / 有機トランジスタ / 単結晶 / 薄膜 / 多単結晶膜 / 間接昇華 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機半導体単結晶は薄膜と比較して一般的にOFETとしての特性に優れ、有機半導体の本質的な特性評価に使用される。我々は最近、選択的なメチルカルコゲノ化による結晶構造制御手法を用いて単結晶OFETで30 cm2 V-1 s-1)を超える超高移動度を示す材料、MT-ピレンを報告した。しかし、結晶成長の大面積化と単結晶デバイス作製は困難であり、単結晶OFETの実用的デバイスへの応用は難しかった。
我々はこの研究で新たな結晶成長手法「間接昇華法」および簡易的に大面積の単結晶性薄膜「多単結晶膜」形成手法を開発した。間接昇華法では、ヒーター上に配置された半密閉容器(シャーレ等)内にソース材料パウダーとパウダーを覆うガラス基板を配置して加熱すると、半密閉容器上面全体(ターゲット)に多数の結晶が成長する。ガラス基板によってソースからターゲットへのパスがブロックされるため、ソース材料が直接ターゲットに飛来せず(間接昇華)、ソース材料蒸気が半密閉容器内を満たすことで大面積で均一な結晶成長が達成される。このように得られた無数の単結晶をデバイス基板に押し付け転写すると、基板全体(面積約1 cm2)を覆う薄片単結晶(1枚1枚は面積0.05 mm2以下)が重なり合った多単結晶膜を形成できた。
MT-ピレンの多単結晶膜OFETは大気中で低電圧(<10 V)で理想的にp型動作し、単結晶デバイスに匹敵する移動度(>15 cm2 V-1 s-1)を示した。また、MT-ピレン多単結晶膜OFETを4つ使用して、CMOS素子のようなインバーター特性を示す擬CMOS素子の作製に成功した。さらに、多単結晶膜応用を念頭に置いた溶解性にとらわれない材料設計と独自で開発している結晶構造シミュレーションアルゴリズムを使用することでMT-ピレンと同等な移動度(>30 cm2 V-1 s-1)を示す新規材料、MT-ペロピレンを開発した。
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