光誘起電気二重層を利用した新奇超伝導トランジスタの開発

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H06058
• 研究機関: 分子科学研究所
• 研究代表者: 須田 理行 分子科学研究所, 協奏分子システム研究センター, 助教 (80585159)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 超伝導 / 電界効果トランジスタ / モット絶縁体 / フォトクロミズム

研究実績の概要

本研究では、フォトクロミック単分子膜の光異性化反応に伴う表面双極子変化を"光応答性電気二重層"として利用する新たな概念を提示し、強相関電子系物質への光キャリア注入を利用した"光駆動型"超伝導トランジスタを開発することを目的とした。また、分子設計・合成によってフォトクロミック分子の光誘起双極子をデザインし、光注入キャリアの極性(n型・p型)や密度を自由に制御可能な光応答性電気二重層トランジスタの基盤技術の確立を目的とした。
平成２９年度は、昨年度に合成した基板→結晶方向に対し正の光誘起双極子を持つスピロピランを用い、光誘起n型ドーピングが可能なデバイスを開発した。この分子を用いて作成した単分子膜の評価は、紫外・可視吸収スペクトル、X線反射率測定、原子間力顕微鏡などを用いて詳細に行った。本単分子膜上にκ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Brの単結晶を液相から貼り付けることでデバイスを作成し、光照射に伴う電気抵抗変化の測定を行った。
極低温下における紫外光照射によりデバイスの抵抗値は次第に減少し、最終的に超伝導体へと転移した。続く可視光照射によりデバイスはほぼ初期状態（絶縁体）へと回復し、光照射による伝導度スイッチが可能であることが示された。光照射およびボトムゲート電圧操作の同時スキャンにより得られた電子相図より、紫外光照射に伴い負電圧側へのゲート電圧シフトが観測され、n型キャリアが光により誘起されていることが確かめられた。
また、デバイスのスイッチング速度の光強度依存性を詳細に測定した。デバイス中では、スピロピラン単分子膜のフォトクロミズムのタイムスケールに連動して電気抵抗変化が生じていることを確認し、実際に光強度の増加によって高速なフォトクロミズムを誘起することによりデバイスのスイッチング速度を約6倍高速に動作させることにも成功した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成２９年度は、分子設計・合成によってフォトクロミック分子の光誘起双極子をデザインし、光注入キャリアの極性(n型・p型)や密度を自由に制御可能な光応答性電気二重層トランジスタの開発を目標としていた。実際に本年度は、昨年度までの光誘起ホール注入に加え、光誘起電子注入による超伝導転移の観測に実際に成功し、その成果を学術論文としてまとめ発表している。研究は、内容、スピード共に計画通りに進展している。

今後の研究の推進方策

平成２９年度は、分子設計・合成によってフォトクロミック分子の光誘起双極子をデザインし、光注入キャリアの極性(n型・p型)や密度を自由に制御可能な光応答性電気二重層トランジスタの開発に成功した。平成３０年度は、これらの技術を統合し、結晶内への電子回路の光パターニングを目指す。まずは、異なる光誘起双極子を持った分子の混合単分子膜を用いて、p-n接合や、ジョセフソン接合(超伝導-絶縁体-超伝導接合)などの分子素子を、光照射によって作製することを試みる。申請者の所属機関には、PCで描画した任意のパターンに対する露光が可能なマスクレス露光機を始めとしたフォトリソグラフィ用装置が備わっているため、こうした装置を利用して、回路の描画と伝導度測定を組み合わせた評価を行っていく。
最終的には、絶縁体の有機結晶中に、光を用いて電子回路を配線する光MEMS実現に向けた基板技術の構築を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Size Effects on Supercooling Phenomena in Strongly Correlated Electron Systems: IrTe2 and θ-(BEDT-TTF)2RbZn(SCN)4 (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Oike, M. Suda, M. Kamitani, A. Ueda, H. Mori, Y. Tokura, H. M. Yamamoto and F. Kagawa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 ページ: 085102/1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.085102
  • 査読あり
• [雑誌論文] A New Photo-Control Method for Organic-Inorganic Interface Dipoles and Its Application to Photo-Controllable Molecular Devices (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Suda
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 91 ページ: 19-28
  • DOI: 10.1246/bcsj.20170283
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Field-, Strain- and Light-induced Superconductivity in Organic Strongly Correlated Electron Systems (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Suda and H. M. Yamamoto
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 20 ページ: 1321-1331
  • DOI: 10.1039/C7CP06716J
  • 査読あり
• [雑誌論文] Organic Phase-transition Transistor with Strongly-correlated Electrons (2018)
  • 著者名/発表者名: H. M. Yamamoto, M. Suda and Y. Kawasugi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 03EA02/1-7
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.03EA02
  • 査読あり
• [雑誌論文] 光で制御する超伝導 ～光応答性電気二重層トランジスタ～ (2018)
  • 著者名/発表者名: 山本 浩史, 須田 理行
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 73 ページ: 143-147
  • 査読あり
• [雑誌論文] N-type Superconductivity in an organic Mott insulator induced by light-driven electron-doping (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Suda, N. Takashina, S. Namuangruk, N. Kungwan, H. Sakurai and H. M. Yamamoto
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 29 ページ: 1606833/1-5
  • DOI: 10.1002/adma.201606833
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fabrication and Operation of Monolayer Mott FET at Room Temperature (2017)
  • 著者名/発表者名: F. Yang, M. Suda and H. M. Yamamoto
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 90 ページ: 1259-1266
  • DOI: 10.1246/bcsj.20170233
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mott Transition by an Impulsive dielectric Breakdown (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Yamakawa, T. Miyamoto, T. Morimoto, T. Tanishige, H. Yada, N. Kida, M. Suda, H. M. Yamamoto, R. Kato, K. Miyagawa, K. Kanoda and H. Okamoto
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 16 ページ: 1100-1105
  • DOI: 10.1038/nmat4967
  • 査読あり
• [雑誌論文] Aperiodic quantum oscillations of particle-hole asymmetric Dirac cones (2017)
  • 著者名/発表者名: E. Tisserond, J. N. Fuchs, M. O. Goerbig, P. Auban-Senzier, C. Meziere, P. Batail, Y. Kawasugi, M. Suda, H. M. Yamamoto, R. Kato, N. Tajima and M. Monteverde
  • 雑誌名: Europhysics Letters 巻: 119 ページ: 67001/1-5
  • DOI: 10.1209/0295-5075/119/67001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of Novel Phase Transition Devices Utilizing Strongly Correlated Molecular Conductors (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Suda
  • 雑誌名: Molecular Science 巻: 11 ページ: A0082/1-8
  • DOI: 10.3175/molsci.11.A0092
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 強相関電子系分子性導体を用いた新奇相転移型デバイスの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 須田理行
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会2017
  • 招待講演
• [学会発表] 電荷秩序絶縁体相に隣接する質量ゼロのディラック電子系 (2017)
  • 著者名/発表者名: 五島大樹・秋田百合香・小川健太郎・田嶋尚也・川椙義高・須田理行・山本浩史・加藤礼三・西尾豊・梶田晃示
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] テラヘルツパルス励起によるκ型BEDT-TTF塩のモット絶縁体 金属転移の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山川大路・宮本辰也・寺重翼・森本剛史・貴田徳明・山本浩史・須田理行・加藤礼三・宮川和也・鹿野田一司・岡本博
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] テラヘルツパルス励起による有機モット絶縁体κ型BEDT-TTF塩の常誘電 強誘電転移の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山川大路・戸部光・宮本辰也・寺重翼・森本剛史・貴田徳明・宮川和也・鹿野田一司・須田理行・山本浩史・岡本博
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] 室温動作相転移デバイスを志向した二次元分子膜モットFETの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 須田理行
  • 学会等名: 「π造形科学」第4回公開シンポジウム
• [学会発表] 極低温下における架橋液晶高分子中のアゾベンゼンの光異性化の評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 荻久保俊哉・橋本岳・宇部達・須田理行・山本浩史・池田富樹
  • 学会等名: 日本物理学会第７３回年次大会
• [学会発表] エックス線照射した電荷ガラス物質θ-(BEDT-TTF)2RbZn(SCN)4の赤外分光測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小林亮太・大藏聖・唐金裕也・須田理行・山本浩史・池本夕佳・森脇太郎・橋本顕一郎・佐々木孝彦
  • 学会等名: 日本物理学会第７３回年次大会
• [学会発表] θ-(BEDT-TTF)2RbZn(SCN)4における１次転移ダイナミクスとサイズ効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 賀川史敬・大池広志・須田理行・上田顕・森初果・十倉好紀・山本浩史
  • 学会等名: 日本物理学会第７３回年次大会
• [学会発表] 分子性ディラック電子系への電子注入効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田嶋尚也・川椙義高・須田理行・山本浩史・加藤礼三・西尾豊・梶田晃示・Miguel Monteverde
  • 学会等名: 日本物理学会第７３回年次大会
• [学会発表] 乱れを導入したκ型ET塩における電界効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 川口玄太・須田理行・山本浩史
  • 学会等名: 日本物理学会第７３回年次大会
• [学会発表] テラヘルツパルス励起による有機モット絶縁体κ型BEDT-TTF塩の常誘電 強誘電転移の研究II (2017)
  • 著者名/発表者名: 山川大路・戸部光・宮本辰也・寺重翼・森本剛史・貴田徳明・宮川和也・鹿野田一司・須田理行・山本浩史・岡本博
  • 学会等名: 日本物理学会第７３回年次大会