キャリア注入による高結晶性有機半導体薄膜の電子状態制御と機能開拓

• 研究課題/領域番号: 26400315
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 物性Ⅰ
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 田中 久暁 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (50362273)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2016年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2015年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2014年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 有機半導体 / 導電性高分子 / 有機薄膜トランジスタ / キャリアドーピング / 電子スピン共鳴 / 有機トランジスタ / 有機発光素子 / 金属-絶縁体転移

研究成果の概要

有機半導体を用いた薄膜トランジスタ（TFT）において、注入キャリアの電子状態や輸送機構を電子スピン共鳴（ESR）法によりミクロに調べた。キャリア注入による導電性高分子の電子状態制御を実現するため、イオン液体絶縁膜を用いて高結晶性材料に高濃度注入を行った。高ドープ状態では、電気伝導度はトラップの寄与により半導体的な挙動を示すものの、ESR測定からは高分子の結晶領域に金属相が発現することが明らかになった。また、チエノチオフェン系高易動度低分子材料のTFTでは、マクロな電荷輸送は結晶グレイン境界に律速されるものの、グレイン内では極低温(4 K)まで高いキャリア運動性が保たれることが明らかになった。

研究成果

• [国際共同研究] ケンブリッジ大学(英国)
• [国際共同研究] ケンブリッジ大学(英国)
• [雑誌論文] High Current Injection into Dynamic p-n Homojunction in Polymer Light-Emitting Electrochemical Cells (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Sakanoue, J. Li, Hi. Tanaka, R. Ito, S. Ono, S.-i. Kuroda, and T. Takenobu
  • 雑誌名: Adv. Mater. 巻: 19 号: 18 ページ: 1606392-1606392
  • DOI: 10.1002/adma.201606392
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tuning the effective spin-orbit coupling in molecular semiconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Schott, E. McNellis, C. Nielsen, H.-Y. Chen, S. Watanabe, H. Tanaka, I. McCulloch, K. Takimiya, J. Sinova, and H. Sirringhaus
  • 雑誌名: Nat.Commun. 巻: 印刷中
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Two-Dimensional Coherent Charge Transport in Highly Ordered Conducting Polymers Doped by Solid State Diffusion (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kang, S. Watanabey, K. Broch, A. Sepe, A. Brown, I. Nasrallah, M. Nikolka, Z. Fei, M. Heeney, D. Matsumoto, K. Marumoto, H. Tanaka, S. Kuroda, and H. Sirringhaus
  • 雑誌名: Nature Mater. 巻: in press
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optically visible phase separation between Mott-Hubbard and charge-density-wave domains in a Pd-Br chain complex (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yoshida, S. Takaishi, H. Iguchi, H. Okamoto, H. Tanaka, S. Kuroda, Y. Hosomi, S. Yoshida, H. Shigekawa, T. Kojima, H. Ohtsu, M. Kawano, B. K. Breedlove, L. Gué rin, and M. Yamashita
  • 雑誌名: ChemistrySelect 巻: 2 号: 2 ページ: 259-263
  • DOI: 10.1002/slct.201600065
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Critical regime for the insulator-metal transition in highly-ordered conjugated polymers gated with ionic liquid (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Ito, T. Harada, H. Tanaka, S. Kuroda
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: in press
  • NAID: 210000146183
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microscopic signature of insulator-to-metal transition in highly-doped semicrystalline conducting polymers in ionic-liquid-gated transistors (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, S. Nishio, H. Ito, and S. Kuroda
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 107 号: 24
  • DOI: 10.1063/1.4938137
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Direct probing of gate-bias stress effect in organic transistors by electron spin resonance spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, E. Sawada, K. Azuma, and S. Kuroda
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 8 号: 5 ページ: 051603-051603
  • DOI: 10.7567/apex.8.051603
  • NAID: 210000137496
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Signature of the insulator-metal transition of a semicrystalline conjugated polymer in ionic-liquid-gated transistors (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomonori Harada, Hiroshi Ito, Yoshihiro Ando, Shun Watanabe, Hisaaki Tanaka and Shin-ichi Kuroda
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 8 号: 2 ページ: 021601-1
  • DOI: 10.7567/apex.8.021601
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-temperature carrier dynamics in high-mobility organic transistors of alkylated dinaphtho-thienothiophene as investigated by electron spin resonance (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Kinoshita, H. Tanaka, Y. Shimoi, K. Takimiya, and S. Kuroda
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 105 号: 3
  • DOI: 10.1063/1.4890962
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Bromide-Bridged Palladium(III) Chain Complex Showing Charge Bistability Near Room Temperature (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Kumagai, S. Takaishi, B. K. Breedlove, H. Okamoto, H. Tanaka, S. Kuroda, and M. Yamashita
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 50 号: 61 ページ: 8382-8384
  • DOI: 10.1039/c4cc02547d
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] ESR Observations of Charge Carrier Dynamics (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Kawamura, A. Wakamatsu, H. Tanaka, and T. Takenobu
  • 学会等名: The 6th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies
  • 発表場所: Fukui
  • 年月日: 2017-06-18
  • 国際学会
• [学会発表] Thermoelectric Properties of Conducting Polymer PBTTT in Ionic-Liquid-Gated Transistor (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Takekoshi, K. Kanahashi, H. Tanaka, H. Ito, and T. Takenobu
  • 学会等名: 3rd International Symposium on π-System Figuration
  • 発表場所: NagoyaUniversity
  • 国際学会
• [学会発表] イオン液体ゲートトランジスタを用いた共役高分子PBTTT 配向膜の低温電気伝導特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 馬田裕章、原田知典、伊東裕、田中久暁、竹延大志
  • 学会等名: 日本物理学会 第72 回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] DPP系共役高分子を用いた有機トランジスタにおけるキャリアのESR観測(II) (2017)
  • 著者名/発表者名: 田中久暁、若松綾人、竹延大志、下位幸弘、黒田新一
  • 学会等名: 日本物理学会 第72 回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] Microscopic Signature of Insulator-to-Metal Transition in Ionic-Liquid-Gated Transistors of Semicrystalline Conducting Polymer (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, S. Nishio, H. Ito and S. Kuroda
  • 学会等名: International Conference on the Science and Technology of Synthetic Metals 2016 (ICSM2016)
  • 発表場所: Guangzhou, China
  • 年月日: 2016-06-26
  • 国際学会
• [学会発表] DPP 系共役高分子を用いた有機トランジスタにおけるキャリアのESR 観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田中久暁、近藤正弘、若松綾人、黒田新一
  • 学会等名: 日本物理学会 第71 回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 導電性高分子F8T2 を用いたイオン液体トランジスタにおける両極性キャリアのESR 観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 堀貴登、中村悠基、田中久暁、下位幸弘、黒田新一
  • 学会等名: 日本物理学会 第71 回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] キャリア注入による結晶性共役高分子の絶縁体-金属転移とそのESR観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田中久暁
  • 学会等名: 科研費基盤研究（S）成果報告会・研究会「フラストレーション系物質の科学：協奏と競合の世界」
  • 発表場所: トヨタ産業技術記念館
  • 年月日: 2016-02-18
• [学会発表] ドナ-・アクセプタ型高分子を用いた高移動度有機トランジスタにおけるキャリアのESR観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田中久暁、近藤正弘、若松綾人、黒田新一
  • 学会等名: 第55回電子スピンサイエンス学会年会（SEST2016）
  • 発表場所: 大阪市立大学
• [学会発表] ポリフルオレン系共役高分子を用いたイオン液体トランジスタにおける両極性キャリアのESR観測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中久暁、中村悠基、下位幸弘、黒田新一
  • 学会等名: 第54回電子スピンサイエンス学会（SEST2015）
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟）
  • 年月日: 2015-11-02
• [学会発表] イオンゲルトランジスタを用いた高移動度有機半導体分子へのキャリア注入とESR (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中久暁、小西弘記、西尾聡志、黒田新一、下位幸弘、瀧宮和男
  • 学会等名: 日本物理学会第2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] 高移動度導電性高分子PDVT-10における電場誘起キャリアのESR観測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 若松綾人、田中久暁、黒田新一
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] ESR法による結晶性共役高分子の高ドープ状態における金属相の観測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中久暁
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会（2015年）、領域7、領域8合同シンポジウム「分子性固体におけるキャリアドーピングの新展開」
  • 発表場所: 早稲田大学、東京
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
  • 招待講演
• [学会発表] イオン液体トランジスタを用いた導電性高分子への (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中久暁、西尾聡志、中村悠基、黒田新一
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会（2015年）
  • 発表場所: 早稲田大学、東京
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] ESR Signature of Metallic State in Semicrystalline conjugated Polymers Doped with Fluoroalkylsilane Molecules (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, S. Watanabe, and S. Kuroda
  • 学会等名: Joint conference of APES2014,IES,SEST2014 (APES-IES-SEST2014)
  • 発表場所: 奈良
  • 年月日: 2014-11-12 – 2014-11-16
• [学会発表] Microscopic Signature of Metallic State in Highly-Doped Semicrystalline Conducting Polymers (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, S. Watanabe, and S. Kuroda
  • 学会等名: 5th international meeting on spin in organic semiconductors (SpinOS)
  • 発表場所: 姫路
  • 年月日: 2014-10-13 – 2014-10-17
• [学会発表] Microscopic Signature of Metallic State in Highly-Doped Semicrystalline Conducting Polymers (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka and S. Kuroda
  • 学会等名: KJF International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics (KJF-ICOMEP 2014)
  • 発表場所: つくば
  • 年月日: 2014-09-21 – 2014-09-24
  • 招待講演
• [学会発表] 導電性高分子F8T2のFETにおけるゲートバイアスストレス効果のESR観測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中久暁、澤田瑛史、黒田新一
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学、愛知
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] ESR法による有機半導体デバイス界面のキャリア観測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中久暁、黒田新一
  • 学会等名: 第18回ESRフォーラム研究会
  • 発表場所: 名古屋大学、愛知
  • 年月日: 2014-07-26
• [学会発表] Microscopic signature of metallic state on semicrystalline conducting polymers doped with fluoroalkylsilane molecules (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, S. Watanabe, and S. Kuroda
  • 学会等名: International Conference on Science and Technology of Synthetic Metals (ICSM2014)
  • 発表場所: Turku, Finland
  • 年月日: 2014-06-30 – 2014-07-05