2018 Fiscal Year Annual Research Report
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17H06200
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
竹谷 純一 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (20371289)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邉 峻一郎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 特任准教授 (40716718)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 有機半導体 / 単結晶 / メカノエレクトロニクス / 分子振動 / センサー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
独自に開発した高移動度の有機単結晶半導体が、極めて長いスピン拡散長を有するという最近の実験結果に基づいて、有機単結晶スピントロニクスデバイスの作成・評価を行い世界初となる室温における有機トランジスタの実証を行うことを目的とする。フレキシブルスピントロニクス素子を構成する最重要ビルディングブロックは、超薄膜の有機半導体単結晶である。初年度は、有機半導体におけるスピン軌道相互作用に着目した新規材料の化学合成・薄膜成膜技術の開発と薄膜デバイスにおけるスピン緩和機構の解明を目的として研究を遂行し、厚み方向にわずか１～2分子層で形成される超薄膜有機半導体単結晶を成膜することに成功した。今年度は単結晶膜の物性特性解明並びに特性改善を推し進めた。活動の成果は、「テラヘルツ分光法によるスピンSeebeck効果のフェムト秒形成ダイナミズム」（Nature Communications誌）、「ソフト2次元ナノアーキテクトニクス」（NPG asia materials誌）の論文として掲載された。
また、テーマ①スピン軌道相互作用に着目した有機合成において、アニオン交換を用いた新規ドーピング手法による高分子半導体の伝導特性と熱耐久性の向上を図り、また、陰イオン交換による高分子半導体における分子ドーピングの効率改善という成果を得た。いずれも学会発表講演で受賞の栄誉を得た。これらの知見をもとに、有機半導体におけるスピン緩和時間はグラフェンや無機半導体を凌駕するほど長いことが実験的に明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
有機単結晶スピントランジスタの実現を目指し、テーマ①スピン軌道相互作用に着目した有機合成、テーマ②有機半導体単結晶のスピン物性の解明、それぞれに顕著な結果が得られた。テーマ①ではドーピングを主体に検討を進め、高分子半導体におけるアニオン交換を用いた新規ドーピング手法の原理の解明、アニオン交換法を用いた高分子半導体への高効率ドーピング、高分子半導体のラメラ構造へのドーパントインターカレーション機構の解明、化学ドープされた有機半導体単結晶のフェルミ縮退解明、等の成果を得て学会発表を行った。これらの成果は研究参加者山下侑（D3）氏の「第45回（2018年秋季)応用物理学会講演奨励賞）受賞に結び付いた。受賞題名：「アニオン交換を用いた新規ドーピング手法による高分子半導体の伝導特性と熱耐久性の向上」
またテーマ②では、フェリ磁性イットリウム鉄ガーネットとプラチナの二重層でテラヘルツ分光法を使用して<27 fsの時間分解能でスピンゼーベック効果の初期ステップを明らかにした。更に、新奇低分子系ｎ型有機半導体の電界誘起ホール効果解明、塗布型有機半導体単分子層単結晶の構造変化とキャリア伝導解明、などの成果を学会に発表した。
これらの知見をもとに、有機半導体におけるスピン緩和時間はグラフェンや無機半導体を凌駕するほど長いことが実験的に明らかにした。更に、スピントランジスタ作成においては表面平滑性が重要であることを明らかにし、そのための手法として金属電極を基板に埋め込んだ単結晶薄膜作成手法を確立した。これは電子線リソグラフィーと適合性が高い手法で微細加工技術として容易に利用できるものである。当初に計画した項目が達成されただけでなく、研究計画を前倒しし基盤技術の確立ができたため、研究計画は当初の予定より進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに確立した超薄膜有機半導体分子のスピン緩和機構にについて、スピン共鳴やラマン分校計測技術をベースに掘り下げ、室温付近でさらに長スピン緩和長が実現する物質開拓を行う。これまで系統的に合成した含カルコゲン分子のスピン緩和長の調査、並びに、スピン軌道相互作用とスピン緩和機構に関して系統的に調べる。また、スピントランジスタ作製においても必要な技術要件は確立されたため、デバイス実装を進め、室温における電気的スピン注入・検出を目指す。
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[Journal Article] Femtosecond formation dynamics of the spin Seebeck effect revealed by terahertz spectroscopy2018
Author(s)
T. S. Seifert, S. Jaiswal, J. Barker, S. T. Weber, I. Razdolski, J. Cramer, O. Gueckstock, S. F. Maehrlein, L. Nadvornik, S. Watanabe, C. Ciccarelli, A. Melnikov, G. Jakob, M. Münzenberg, S. T. B. Goennenwein, G. Woltersdorf, B. Rethfeld, P. W. Brouwer, M. Wolf, M. Kläui and T. Kampfrath
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 9
Pages: 2899
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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