• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

有機半導体単層2分子膜を用いた分子認識センサ機能の開拓

公募研究

研究領域ソフトロボット学の創成:機電・物質・生体情報の有機的融合
研究課題/領域番号 19H05321
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 複合領域
研究機関東京大学

研究代表者

荒井 俊人  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (40750980)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円)
2020年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2019年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
キーワード単層2分子膜 / 自己組織化 / 有機半導体 / プリンテッドエレクトロニクス / 分子認識センサ / 単層2分子膜
研究開始時の研究の概要

単層2分子膜型の有機半導体という、細胞に似た構造の人工薄膜を用いて生体模倣センサ機能を検討する。はじめに、薄膜トランジスタ(TFT)を周囲のガス環境を変えた中で動作させ、そのTFT特性の系統的な変化から、周囲の極性分子ガス濃度の計測、および繰り返し耐性を調べる。以上をもとにポリマーフィルム上に電極を印刷構築し、フレキシブルセンサを作製・駆動させる。さらに、基板をもたない独立2分子膜構築技術の確立に従事する。脂質分子を用いた独立2重膜とは異なり、有機半導体を用いた独立単層2分子膜を構築することで、従来のストキャスティックセンサの常識を覆す、長寿命のイオンチャネル内包型センサ機能の開拓に努める。

研究実績の概要

単層2分子膜型の有機半導体という、細胞膜に似た構造の人工膜を用いることで、生体が持つようなセンサ機能の開拓を行った。この半導体層を有機トランジスタ(OFET)の活性層として用いることで、外部雰囲気中の極性分子の濃度変化を高感度で検出できることを見出した。次に、分子膜の積層数(厚み)に依存したセンシング特性を調べた。すると、単層2分子膜を用いた場合に、最も感度が高くなることが明らかとなった。さらに、単層2分子膜OFETでは、分厚い半導体層を用いた場合に比べ、応答速度も高いことを見出した。そこで、OFET型センサのさらなる高性能化へ向け、OFETの高移動度化と低駆動電圧化を推進した。高移動度化を達成するために、従来用いていた半導体骨格(BTBT骨格)からπ共役系を拡張した材料の探索を行った。その中で、半導体骨格に付与するアルキル基の置換位置を工夫することで、OFETのなかではトップクラスの移動度(~10cm2/Vs)が得られることを明らかにした。さらに、OFETの駆動電圧を低減するために、絶縁層表面をキャリアトラップの少ない撥水性ポリマーで覆い、その上から半導体層を形成する技術を開発した。これにより2ボルト以下での低電圧駆動を達成した。
以上に加え、本領域メンバーとの共同研究として、金属ナノコロイドを用いたメッシュ配線の印刷形成について検討を行った。得られる配線の伝導性を向上させるためには、ネットワーク状のコロイド凝集体を形成することが有効であることを明らかにした。また、モデルコロイド系を用いてネットワーク構造の形成過程を観察することでし、新しいタイプのネットワーク構造の形成原理を見出した。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (24件)

すべて 2021 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 2件、 招待講演 4件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Regioisomeric control of layered crystallinity in solution-processable organic semiconductors2020

    • 著者名/発表者名
      Inoue Satoru、Higashino Toshiki、Arai Shunto、Kumai Reiji、Matsui Hiroyuki、Tsuzuki Seiji、Horiuchi Sachio、Hasegawa Tatsuo
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 11 号: 46 ページ: 12493-12505

    • DOI

      10.1039/d0sc04461j

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Semiconductive Single Molecular Bilayers: a New Platform for High-Performance Organic Transistors2020

    • 著者名/発表者名
      Arai Shunto
    • 雑誌名

      2020 27th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays and Devices (AM-FPD), IEEE Xplore

      巻: 15 ページ: 63-66

    • DOI

      10.23919/am-fpd49417.2020.9224516

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Meniscus-controlled printing of single-crystal interfaces showing extremely sharp switching transistor operation2020

    • 著者名/発表者名
      Kitahara Gyo、Inoue Satoru、Higashino Toshiki、Ikawa Mitsuhiro、Hayashi Taichi、Matsuoka Satoshi、Arai Shunto、Hasegawa Tatsuo
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 6 号: 41 ページ: 1-10

    • DOI

      10.1126/sciadv.abc8847

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A unique route of colloidal phase separation yields stress-free gels2020

    • 著者名/発表者名
      Tsurusawa Hideyo、Arai Shunto、Tanaka Hajime
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 6 号: 41

    • DOI

      10.1126/sciadv.abb8107

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Layered-Herringbone Polymorphs and Alkyl-Chain Ordering in Molecular Bilayer Organic Semiconductors2020

    • 著者名/発表者名
      Shunto Arai, Kaede Morita, Jun’ya Tsutsumi, Satoru Inoue, Mutsuo Tanaka, and Tatsuo Hasegawa
    • 雑誌名

      Advanced Functional Materials

      巻: 30 号: 4 ページ: 19064061-10

    • DOI

      10.1002/adfm.201906406

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書 2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 有機半導体の分子積層制御による二次元化2020

    • 著者名/発表者名
      荒井 俊人
    • 雑誌名

      高分子学会誌

      巻: 70 ページ: 89-90

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] 有機半導体単層2分子膜の構築と高性能薄膜トランジスタへの応用2019

    • 著者名/発表者名
      荒井 俊人
    • 雑誌名

      応用物理学会 有機分子・バイオエレクトロニクス分科会誌

      巻: 30

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 2分子膜型有機半導体におけるアルキル側鎖の再配列に伴う結晶多形転移2021

    • 著者名/発表者名
      荒井 俊人,田中 睦生,井上 悟,近藤 隆祐,熊井 玲児,長谷川 達生
    • 学会等名
      2021年 第68回 応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] トリル基を置換した非対称BTBT系有機半導体の層状結晶性と半導体特性2021

    • 著者名/発表者名
      井上 悟,宮田 稜,東野 寿樹,田中 睦生,荒井 俊人,松岡 悟志,堀内 佐智雄,長谷川 達生
    • 学会等名
      2021年 第68回 応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] PE-BTBT-Cn層状結晶性有機半導体における配向秩序の競合とその制御2021

    • 著者名/発表者名
      井上 悟,二階堂 圭,東野 寿樹,荒井 俊人,田中 睦生,堀内 佐智雄,高場 圭章,眞木 さおり,米倉 功治,瀬川 泰知,熊井 玲児,長谷川 達生
    • 学会等名
      2021年 第68回 応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 層状有機半導体の材料科学と大面積単層2分子超薄膜の構築2020

    • 著者名/発表者名
      荒井 俊人,井上 悟,長谷川 達生
    • 学会等名
      2020年日本液晶学会オンライン研究発表会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Semiconductive Single Molecular Bilayers: a New Platform for High-Performance Organic Transistors2020

    • 著者名/発表者名
      Shunto Arai
    • 学会等名
      The 27th international Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays and Devices -TFT Technologies and FPD Materials (AM-FPD2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ph-BTNT-Cn 単結晶薄膜における異方的伝導特性の起源2020

    • 著者名/発表者名
      荒井 俊人,井上 悟,東野 寿樹,長谷川 達生
    • 学会等名
      第81回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] メニスカス制御による高撥液表面への単結晶塗布構築とTFT高急峻スイッチング2020

    • 著者名/発表者名
      北原 暁,井上 悟,東野 寿樹,井川 光弘,松岡 悟志,荒井 俊人,長谷川 達生
    • 学会等名
      第81回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] モノアルキルBTNT 系の置換位置異性による結晶構造制御とTFT特性Ⅱ2020

    • 著者名/発表者名
      井上 悟,東野 寿樹,荒井 俊人,熊井 玲児,松井 弘之,都築 誠二,堀内 佐智雄,長谷川 達生
    • 学会等名
      第81回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Semiconductive Single Molecular Bilayers: A New Type of Molecular Nanostructure2019

    • 著者名/発表者名
      S. Arai
    • 学会等名
      CEMS topical meeting on Organic Photoelectronics: Theory, Materials, Interfaces, and Spectroscopy
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 有機半導体単層2分子膜の構築と高性能薄膜トランジスタへの応用2019

    • 著者名/発表者名
      荒井 俊人, 長谷川達生
    • 学会等名
      2019年 第80回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 層状結晶性有機半導体Ph-BTNT-Cn単結晶トランジスタの異方的キャリア輸送2019

    • 著者名/発表者名
      荒井 俊人,井上 悟,東野 寿樹,長谷川 達生
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 層数制御した超極薄単結晶有機薄膜トランジスタの環境応答特性Ⅲ2019

    • 著者名/発表者名
      山田 詩乃, 荒井 俊人, 東野 寿樹, 井上 悟, 長谷川 達生
    • 学会等名
      第67回 応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 層数制御した超極薄単結晶有機薄膜トランジスタの環境応答特性Ⅱ2019

    • 著者名/発表者名
      山田 詩乃, 荒井 俊人, 井上 悟, 長谷川 達生
    • 学会等名
      2019年 第80回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 層状結晶性有機半導体Ph-BTNT-Cn単結晶トランジスタの異方的キャリア輸送2019

    • 著者名/発表者名
      荒井 俊人, 井上 悟, 東野 寿樹, 長谷川 達生
    • 学会等名
      2019年 第80回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 層状結晶性有機半導体の結晶-結晶相転移2019

    • 著者名/発表者名
      荒井 俊人, 井上 悟, 東野 寿樹, 田中 睦生, 長谷川 達生
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [図書] マテリアルズ・インフォマティクスQ&A集ー解析実務と応用事例ー2020

    • 著者名/発表者名
      荒井 俊人 (第7章問7,問15を担当)
    • 総ページ数
      597
    • 出版者
      情報機構
    • ISBN
      9784865022049
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] 長谷川/荒井研 HP

    • URL

      http://hsgw.t.u-tokyo.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書 2019 実績報告書

URL: 

公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-12-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi