2023 Fiscal Year Annual Research Report
Efficient carrier transport in organic semiconductors through molecular orbital overlap engineering
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22H01933
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
荒井 俊人 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 高分子・バイオ材料研究センター, 独立研究者 (40750980)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 自己組織化 / 結晶構造制御 / 界面制御 / プリンテッドエレクトロニクス / 有機半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
溶液の塗布により電子デバイスを作製するプリンテッドエレクトロニクス技術がここ数年で大きく進展し、軽量かつ柔軟な電子デバイス製造への応用が現実的になってきている。特に、薄膜トランジスタ（TFT）に適した有機半導体の開発と塗布プロセスの進化の相乗効果により、良好なスイッチング性能を示す有機TFTの構築が可能になってきた。一方で、デバイス移動度の向上は依然として大きな課題となっている。そこで、本研究課題では、こうした有機TFTにおける高効率なキャリア輸送を実現するために、薄層内隣接分子間の「軌道の重なり」を設計・制御する技術の開拓を進める。昨年度までの研究により、分子膜層内の対称性を制御する指針を獲得し、ある種の半導体骨格を持つ分子では高移動度化に適した分子配列を選択的に作製できるようになってきている。本年度は、金属と半導体の接触抵抗の寄与を詳しく調べることで、半導体チャネルに実効的にかかる電圧の低下を防ぐための指針を得た。
ここでは、2種類の有機半導体、Ph-BTBT-CnとPh-BTNT-Cnを用いてさまざまな厚みの単結晶薄膜を作製し、ボトムゲート・ボトムコンタクト型有機TFTを作製した。その伝達特性は、材料や層数などに依存する経時変化を示した。そこで、ケルビンプローブフォース顕微鏡測定を行ったところ、この特性変化はソース電極付近の接触抵抗に起因しており、薄い分子層では移動度が低下しやすく、その劣化速度もチャネル材料に依存する傾向があることを見出した。これにより、電極付近の分子層構造制御がデバイス性能の安定性に寄与していることがわかった。そこで、現在は分子層を１層ずつ自在に積層する技術を開発している。これをもとに作製した有機TFTは、良好なスイッチング特性を示し、素材によっては10 cm2 V-1 s-1を超えるデバイス移動度を示すことがわかった。
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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
本年度の取り組みにより、良好なスイッチング性能を維持しつつ移動度を向上させるためには、ソース・ドレイン電極近傍の半導体の層構造を制御することが重要であるという指針を得た。実際に、分子積層を制御することで電極付近での電圧降下が抑制でき、結果として半導体チャネルに印加される実効的な電圧が増加することで、デバイス移動度が向上することがわかった。これに加えて、層内分子配列制御に関する昨年までの知見を融合することで、SS値70mV以下、駆動電圧２V以下、移動度10 cm2 V-1 s-1以上という、きわめて良好な性能を示す有機TFTを構築することができた。これは、研究計画で想定していた目標性能を達成する成果であり、本課題はきわめて順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記のとおり、本研究課題はこれまできわめて順調に遂行されている。本年度までの研究により、層内分子配列の対称性制御、およびソース・ドレイン電極近傍の分子積層制御がキャリア輸送特性に大きな影響を及ぼすことがわかった。そこで、今後は静的な分子軌道の重なりに加えて、分子が室温で運動する効果についても系統的に調べていくことにより、半導体骨格に導入する官能基の違いや、その置換位置の違いの効果を明らかにする。
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