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本研究は、アルキル鎖とパイ電子骨格が連結した非対称な有機半導体分子が、二分子膜構造にもとづくきわめて高均質な極薄単結晶層を与えるという研究成果を手がかりとして、半導体層ではない極薄絶縁層をデバイス機能として活用することを目的とする。最終年度である本年度は、前年度に明らかになった超高品質な極薄層状単結晶が得られるPh-BTBT-C10単結晶薄膜における層間伝導挙動の実験・解析をさらに推し進めることにより、大面積で数ナノメートル厚の単結晶性アルキル鎖層の形成に伴うトンネル伝導機構の検証をさらに深化させた。すなわち、層数制御したPh-BTBT-C10単結晶薄膜をチャネル層とする電界効果型トランジスタの２端子／４端子法による測定結果について、得られたデバイス特性がトンネル伝導機構に由来するとのシミュレーション解析をさらに精密化し、層数依存性・ドレイン電圧依存性・ゲート電圧依存性について、実験と計算シミュレーションの詳細な比較を行った。適切なパラメータ設定によってこれらがきわめて良い一致を示すことから、Ph-BTBT-C10のアルキル鎖が高品質な超薄絶縁層として機能し、特にドレイン電圧が低い場合のデバイス動作がアルキル鎖層をまたぐトンネル伝導に支配されるデバイス動作の全体像が明らかになった。さらにゲート電圧の掃引に伴うトランジスタのオン状態とオフ状態間の遷移に伴う４端子測定の電圧端子に見られる非常に大きな履歴の原因が、絶縁性にもとづく電荷蓄積の効果に由来することを明らかにした。これに加えて拡張パイ電子骨格を持ち熱安定性に優れた別種の有機半導体分子を用いて、BTBT系と同様なトンネリングに伴う層数に依存した非線形伝導挙動を確認することに成功した。以上により二分子膜構造内に形成されたアルキル鎖層がトンネル機構に由来した層間巨大抵抗に起因することが明らかになった。
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