2014 Fiscal Year Annual Research Report
高移動度を示す有機トランジスター中のキャリアの電子状態とダイナミクス
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25287073
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
黒田 新一 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20291403)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 久暁 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50362273)
下位 幸弘 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノシステム研究部門, 主任研究員 (70357226)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 有機トランジスタ / 導電性高分子 / 有機半導体 / 電子スピン共鳴 / 非線形素励起 / 理論計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、高移動度の有機薄膜トランジスタ（TFT）におけるキャリア観測を電子スピン共鳴（ESR）法を用いて進め、以下の成果を得た。
1. チエノチオフェン系の高移動度低分子材料として注目されるC10-DNTTを用いてTFTを作製し、素子特性測定とESR測定を極低温まで行った。ESR信号は極低温で顕著な角度依存性を示し、g値のDFT計算との比較から、C10-DNTTは分子長軸が基板に垂直に立つend-on配向をとることがわかった。また、グレイン内、及びグレイン間のキャリア運動に伴うESR線幅の尖鋭化を解析し、グレイン内では4 Kまでキャリアが運動することを見出した。一方で、グレイン間のキャリアホッピングも高温で顕著に起こり、その活性化エネルギーはTFT移動度の活性化エネルギーとよく一致した。活性化エネルギーの値は約10 meVと小さく、TFTは4Kの極低温でも駆動した。この結果から、拡張したπ共役骨格と、長鎖アルキルによる分子間の高いパッキングにより、キャリアがグレイン間にも非局在化することが明らかになり、高移動度分子の設計指針への示唆を得た。
2. 高移動度の導電性高分子であるPBTTTのイオン液体ゲートトランジスタを作製し、高濃度のキャリア注入に伴う伝導機構の変化を調べた。高いゲート電圧印加により、伝導度は高温領域で金属的な温度依存性を示すことが明らかになった。温度低下により、伝導度は2次元可変領域ホッピングに従ったが、極低温領域では、金属-絶縁体転移の臨界状態を反映した温度依存性が観測された。これらに加え、ESR測定が可能なデバイスを作製し、注入キャリアのESR観測を行った。その結果、注入濃度の増加に伴いスピンを持たないバイポーラロンが生成されると共に、高濃度注入により金属相に特有な線幅の広幅化（エリオット機構）が観測され、金属転移の兆候がミクロに明らかになった。
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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
本研究は現在順調に進展しており、インパクトの高い論文誌への論文掲載や、国際学会における招待講演などを通じ、国内外の研究者から高い評価を受けている。特に、ESR線幅の解析に基づき、多結晶薄膜トランジスタにおけるキャリアのグレイン内運動やグレイン間ホッピングなどの、キャリアの運動効果を階層的かつミクロに明らかにすることに成功している。その結果、π共役系の拡張や長鎖アルキル置換などの分子の化学修飾が輸送特性に及ぼす影響が明らかになるなど、顕著な成果につながった。さらに、本研究で見出された高ドープ状態の導電性高分子における金属的な伝導度の温度依存性は、導電性高分子の金属状態を直接示す有意義な結果であり、今後、イオン液体ゲートトランジスタ構造を用いて多様な高分子の電子状態を制御できる可能性を示すものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、前年度までの研究を継続すると共に、ドナー・アクセプタ型構造を持つ高移動度の高分子材料などの新規材料を対象に、固体ゲート絶縁膜を用いたFET構造や、イオン液体ゲート絶縁膜を用いたトランジスタ構造により有機材料へのキャリア注入をすすめ、キャリアの電子状態をESR法や伝導測定に基づき明らかにする。
特に、ドナー・アクセプタ型の導電性高分子では、従来の高結晶性の高分子材料に比べ不規則的な構造をとるにもかかわらず高い移動度が実現するものがあり、その高移動度の起源が注目されている。本年度は、これらのドナー・アクセプタ型分子の電場誘起ESR観測により、分子の局所配向性やキャリアの運動効果を調べることで高移動度の起源を明らかにする。さらに、材料への熱処理を行うことで分子の配向性を制御し、配向変化に伴うキャリアの運動効果の変化を系統的に明らかにする。
また、ドナー・アクセプタ型高分子材料における高濃度キャリア注入をすすめるためイオン液体ゲート絶縁膜を用いたTFT構造を採用し、スピン-電荷関係からバイポーラロン形成の有無を明らかにすると共に、より高濃度で期待される金属転移の有無をESR信号の温度依存性や角度依存性から明らかにする。
上記の研究や前年度までの研究結果を総合し、有機デバイス界面の物性理解と機能開拓を進め、有機エレクトロニクスの推進に貢献する。
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| Causes of Carryover |
26年度の研究、予算使用はおおむね順当に進んだが、ESR測定装置の通信ポートの不具合の修理が次年度までかかるため、当該修理費用を繰り越した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度は、繰越額を用いた装置の修理を完了し、計画通り予算使用を行う。
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