有機半導体センサの実用化に期待 -阪大など、有機半導体の新たな物性を発見

大阪大学(阪大)と高輝度光科学研究センター(JASRI)は、有機トランジスタの電気伝導特性における、巨大かつ符号が反転する異常な圧力効果を発見し、そのメカニズムの解明に成功したと発表した。

同成果は、阪大 産業科学研究所の酒井謙一 研究員、同 竹谷純一 教授、JASRIの藤原明比古 主席研究員らによるもの。詳細は、「Physical Review Letters」に掲載された。

有機半導体は、シリコンなどの無機半導体と比ベて、機械的に柔軟なのに加え、印刷法による低コスト生産が可能であるため、次世代のエレクトロニクス素子として研究開発が進められている。これまで、電気伝導特性や電界効果特性などのさまざまな物性が調べられてきたが、圧力下における物性については、機械的柔軟性に直結するにも関わらず、あまり詳しく研究されてこなかったという。

今回の研究では、通常の有機トランジスタでは、堅い無機物の基板上(SiO₂)に、柔らかい有機単結晶を張り付けるため、両者の収縮率の差によりデバイスを加圧収縮した際に有機単結晶が破壊されてしまうという課題に対応するため、デバイス上のすべての部位を、有機物と同程度の収縮率を持つポリマー性素材で作製し、デバイス全体の一様な収縮が試みられた。

この結果、1GPa以上の高圧下でも破損することなく、正常に動作する有機トランジスタを作製すること成功したほか、高圧下での電気伝導特性の評価も実現したという。

また、有機トランジスタの高圧特性の評価に向け、硫黄原子を含むDNTT分子に着目して研究が進められた。多くの有機半導体が炭素や水素で構成されるのに対し、DNTT分子は硫黄原子がより外に広がった電子分布を持つため、単純な炭化水素系とは異なり、隣の分子との反発力をうまくかわすように分子の向きを変えながら接近し、硫黄分子を中心とした電子分布によって、分子間の電子の移動が急に活発になることによる「巨大な圧力効果」、また、分子が回転することで、距離が近づきながらも分子間の電子移動が困難になる「負の圧力効果」が発見されたという。

なお研究グループでは、今回の結果から、多様な分子における特徴的な圧力効果が現れることが示されたことを受け、今後はもっと大きな圧力効果や分子形状の変化と分子間結合にも影響する化学的な圧力効果などについての研究を進める計画とするほか、圧力センサなどへの応用に向けた具体的な検討を開始する予定としている。