イオンダイナミクス制御による有機メモリスタの開発

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22KJ0195
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 三部 宏平 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Keywords: 有機半導体 / 有機強誘電体 / 結晶構造 / ダイナミクス

Outline of Annual Research Achievements

本研究はダイナミクスと連動した伝導特性の変調、制御による新たなメモリ材料の開発を目的として実施した。
本年度は電場応答性の柔軟な分子集合様式を有する有機半導体の開発から、外部電場と連動した伝導特性の変調を目指した研究を展開した。有機半導体であるBTBT骨格に、強誘電性の水素結合鎖を形成可能なアルキルアミド基を導入したBTBT-NHCOC14H29 (1)、アルキル鎖をテトラエチレングリコール(TEG)鎖としたBTBT-CONHTEG (2)を合成しその構造-物性相関を検討した。1は403-433 Kにおいて電場-分極応答(P-E)曲線にヒステリシスを示した。また、蒸着膜を443 Kでアニールすることで結晶性の高い薄膜を作成可能であり、有機電界効果トランジスタ(OFET)デバイスに適用することで1.0×10－3 cm2 V－1 s－1の移動度を示した。このデバイスに443 Kから室温まで、電場印加によるポーリング処理を行うと半導体特性が消失し、電場印加せずに443 Kでアニーリングすることで半導体特性が回復した。強誘電体の電場応答性が有機半導体材料の分子配向・伝導特性と相関し、外部電場による半導体特性の制御が可能となった。2では、多様なコンフォメーションを取るTEG鎖の導入により、アミド置換π共役系強誘電体の中で初めて室温におけるP-Eヒステリシスの観測に至った。OFETデバイスを用いた半導体特性の観測には至っていないが、過渡伝導度測定や薄膜のXRD測定から、伝導層の形成は確認できており、さらなる材料設計により加熱冷却プロセスを経ずに半導体特性の外場制御が可能になると考えられる。
外場応答型ダイナミクスの導入は、集合構造に特徴的な伝導特性に変調をもたらし、外部刺激応答性の付与が可能とすることを明らかにした。さらなる物性制御により、センシング、メモリ材料への展開が期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Carrier Transport Switching of Ferroelectric BTBT Derivative (2024)
  • Author(s): Kohei Sambe, Takashi Takeda, Norihisa Hoshino, Wakana Matsuda, Kazuki Shimada, Kanae Tsujita, Shingo Maruyama, Shunsuke Yamamoto, Shu Seki, Yuji Matsumoto, Tomoyuki Akutagawa
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 146 Pages: 8557-8566
  • DOI: 10.1021/jacs.4c00514
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ferroelectric Organic Semiconductor:[1]Benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene-Bearing Hydrogen-Bonding －CONHC14H29 Chain (2023)
  • Author(s): Kohei Sambe, Takashi Takeda, Norihisa Hoshino, Wakana Matsuda, Riku Miura, Kanae Tsujita, Shingo Maruyama, Shunsuke Yamamoto, Shu Seki, Yuji Matsumoto, Tomoyuki Akutagawa
  • Journal Title: ACS Appl. Mater. Interfaces Volume: 15 Pages: 58711-58722
  • DOI: 10.1021/acsami.3c14476
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Controlling the molecular orientation and electronic properties of ferroelectric organic semiconductor: BTBT-NHCOC14H29 (2024)
  • Author(s): Kohei Sambe, Takashi Takeda, Shun Dekura, Wakana Matsuda, Kanae Tsujita, Shingo Maruyama, Shunsuke Yamamoto, Shu Seki, Yuji Matsumoto, Tomoyuki Akutagawa
  • Organizer: Fourth International Conference on Material Science (ICMS 2024)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] テトラエチレングリコールおよびキラルアルキルアミド鎖を導入したBTBT誘導体の物性制御 (2023)
  • Author(s): 三部宏平、武田貴志、出倉駿、松田若菜、辻田香奈瑛、丸山伸伍、山本俊介、関修平、松本祐司、芥川智行
  • Organizer: 第17回分子科学討論会
• [Presentation] Structural and physical properties of R-BTBT-CONHC14H29 (R = H, C8H17) (2023)
  • Author(s): Kohei Sambe, Takashi Takeda, Shun Dekura, Wakana Matsuda, Kanae Tsujita, Shingo Maruyama, Shunsuke Yamamoto, Shu Seki, Yuji Matsumoto, Tomoyuki Akutagawa
  • Organizer: Twenty-Sixth Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography (IUCr 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development and characterization of ferroelectric organic semiconductor: alkylamide substituted R-BTBT-CONHC14H29 (R = H, C8H17) (2023)
  • Author(s): Kohei Sambe, Takashi Takeda, Shun Dekura, Wakana Matsuda, Kanae Tsujita, Shingo Maruyama, Shunsuke Yamamoto, Shu Seki, Yuji Matsumoto, Tomoyuki Akutagawa
  • Organizer: The 14th Japan-China Joint Symposium on Conduction and Photoconduction in Organic Solids and Related Phenomena
  • Int'l Joint Research