研究課題
シリコンに代表される無機半導体は、原子が強い共有結合で結びついて電子の伝導経路を構成しているが、有機半導体は、中の分子を結びつけているのは結合力が1桁小さいファンデルワールス力で、電子の伝導は隣り合った分子の外側に広がった軌道のわずかな重なりに依存している。有機半導体が無機半導体と比べ10倍柔らかいことで応力に対する特異な電子物性の変化を引き起こす現象について、電気伝導変化の源となる分子配置の変化が応力と一対一対応する単結晶有機半導体を用い、巨大な圧力応答や歪効果が生ずることを見出した。有機半導体の「柔らかい」格子構造は電子系とも強く結合しており、電子格子相互作用によってわずか3%の格子変形に対して70%もの移動度の上昇を引き起こす巨大歪効果があり、結晶格子の二次元構造を大幅に変調できるチューナビリティを最大限に活かして、二次元歪を入力に電子状態を制御することを可能にした。アルキルジナフトベンゾジチオフェン(Cn-DNBDT)などアルキル鎖を有するパイ共役分子において、極めて優れた周期性を有する結晶薄膜を容易に二次元大面積に成長させる技術を実現し、「ソフトでクリーンな電子系」において分子間に広がったコヒーレントな非局在電子状態を形成することを明らかにした。二次元単結晶のトランジスタの移動度は10 cm2/Vsを超え、さらにイオンゲルの電気二重層を用いて極低温で金属絶縁体転移することも見出した。Cn-DNBDTは “量子井戸分子”の特徴を有するため、ユニット間の結合ポイントが原子スケールで平坦な界面を構成する二次元結晶化により、量子井戸にクリーンな電子系を閉じ込めた二次元系を実現し金属化に成功した。特に、量子井戸分子結晶に分子あたり1／4個を超えるキャリアをドープすることに成功し、強い電子相関効果を見出した上、歪みを加えた場合に大幅なキャリア移動度の増大を実現した。
1: 当初の計画以上に進展している
電子閉じ込め分子の二次元結晶化による有機量子エレクトロニクスを実現するために、本年度は新規量子井戸分子の設計と合成を進め、高移動度の電子伝導に加えて、最適なエネルギー準位にチューニング可能な分子設計・合成が進捗した。また、BEDT-TTF系などの有機電荷移動錯体材料の超伝導相は分子あたり1/4のキャリア密度で実現していることを踏まえ、より高密度を実現することが超伝導相の発現と量子デバイス開発への近道であると考えられるため、Cn-DNBDT以上に酸化されやすく、より高いホール密度を実現する量子井戸分子の開発を進めた。また、Cn-DNBDT分子を用いて、低温における電流電圧特性の測定を実施し原理を実証した。特に、ひずみ印加下での磁気輸送特性を幅広い温度領域にて実施し、極低温においても金属的な振る舞いを観測することに成功した。加えて電子伝導の異方性を含めた詳細な磁気輸送特性の評価も実施した。また、量子井戸分子を用いた共鳴トンネル素子で、ホール注入電極に高密度にドープしたバッファー層を用いるなどの新規デバイス構造開発に着手すると共に、本研究の理論グループと共同で負性微分抵抗が生じる電圧領域の理論計算が進行している。更に、フォノンを媒介とするBCS機構以外に、電荷秩序や磁気秩序の揺らぎが超伝導電子対を構成する可能性もあるため、キャリア量-温度-圧力と電子相をマッピングした相図を明らかにする必要があり、結晶への1軸・2軸歪みを系統的に印加した実験を継続的に実施している。並行して、理論グループの参画によって、電子相転移を定量的に理解し、電子相転移を予測する手法につなげて、より高い転移温度や常圧下での超伝導相を実現するための理論解析を開始した。圧力や歪による分子配列変調や構造相転移による分子間相互作用増大による金属化の理論評価やキャリアドーピング時の電子状態変化の解析を進めている。
電子閉じ込め分子を用いた有機量子エレクトロニクスを実現するために、新規量子井戸分子の設計と合成を継続して進める。研究初年度に引き続き候補材料となる分子群をコアから合成していく。また有機半導体における新規な電子相を探索する上で、分子あたり1/4のキャリア密度を実現する必要があり、先行研究材料以上に酸化されやすく、より高いホール密度を実現する量子井戸分子を開発すると共に、先行材料分子を用いて低温における電流電圧特性の測定を実施して原理を実証する。その上で、異方的・等方的歪み印加手法の開発を模索し、二次元応力下での構造解析手法の確立を経て、応力下での特異な集団的分子変形を明らかにし、低温だけでなく室温動作に向けた分子設計を進める。量子井戸分子を用いた共鳴トンネル素子においては、金などのホール注入電極のフェルミ準位に対して適切なエネルギー差のあるHOMO準位に加えて、NHOMOやNNHOMO準位も考慮して設計するが、縮環形態の異なる骨格はHOMO準位の違いだけでなくNHOMOおよびNNHOMO準位や軌道形態の違いがあるため、理論グループの第一原理電子状態計算と機械学習を用いた結晶構造予測シミュレーションを援用し候補分子を効率的にスクリーニングする。また、高密度にドープした有機半導体のホモ接合からの電荷注入を実現する。前年度に導入した希釈冷凍機を用いた100mK以下の極低温における磁気輸送特性評価により、電荷秩序や磁気秩序の形成、電子相マッピングを進めると共に、理論グループと共に電子相転移の定量的理解と電子相転移予測手法の開発により、高い転移温度や常圧下での超伝導相を実現する物質探索を進める。理論グループでは理論手法を応用して、圧力や歪による分子配列変調、構造相転移の解析を行い、構造安定性と分子間相互作用増大による金属化の理論評価やキャリアドーピング時の電子状態変化を明らかにする。
すべて 2023 2022 その他
すべて 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 1件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (35件) (うち国際学会 6件、 招待講演 11件) 備考 (2件)
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