東大、指の力を加えるだけで電気伝導率が2倍になる有機物半導体を開発

東京大学(東大)は4月4日、指の力を加えるだけで電気伝導率が約2倍になる半導体材料を開発したと発表した。

同成果は、東京大学大学院 新領域創成科学研究科 竹谷純一教授、東京工業大学 宍戸厚准教授らの研究グループによるもので、4月4日付けの英国科学誌「Nature Communications」に掲載された。

有機半導体についてはこれまで、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、応力による歪を加える効果はあまり詳しく研究されてこなかった。シリコンなどの無機半導体においては、強く共有結合している原子間の距離が小さくなることによって電気伝導度が増加するが、有機半導体は、弱い分子間力で結びついていてかつ室温で各分子が激しく振動しているため、圧力によってどのように変化して電気伝導がどのような影響を受けるかということは明らかになっていなかった。

通常の有機半導体トランジスタは、結晶軸方向がランダムな結晶粒の集合である多結晶であるため、応力による歪の効果が結晶粒間の電流に影響し、応答の大きさが制御不能であることが知られている。そこで同研究グループは今回、単結晶の有機半導体を用い、応力に対する電流の応答が物理的に対応するセンサ機能を持つデバイスを開発。同研究グループが開発した高移動度の有機半導体材料である「C₁₀-DNBDT」を、50nm以下の厚さの薄膜結晶化する独自の溶液塗布による製膜方法を用いることによって、高い感度を実現する構造を構築した。

また、プラスティックフィルム上に作製した単結晶有機半導体トランジスタに加える応力を制御して、信頼度の高い電気伝導度測定を可能にする応力歪導入装置を開発。単結晶の有機半導体トランジスタに、同装置によって応力歪を正確に導入することに成功し、精密な応力効果測定を可能にした。

そこで、プラスティックフィルム上に作製した単結晶有機半導体トランジスタに、指でも実現可能な程度の小さい応力を加えたところ、3%もの歪が得られる柔軟性を示し、かつ伝導度が約2倍にもなる巨大な応力歪応答を見出した。これは、従来の金属薄膜歪センサより、15倍も高い歪感度が実現していることを意味している。また通常、電圧入力に対する電流出力の応答が速い高性能の有機デバイスを開発する場合、新規化合物の合成に頼るが、同研究グループは、歪効果によって、大幅な性能向上を実現できることも示している。

さらに、応力下での結晶構造解析と理論計算によって、こうした巨大な応答を実現するメカニズムは、分子の熱振動を抑制する新しい応力の効果によるものであることが明らかになった。

単結晶高移動度有機物半導体薄膜は、印刷による簡便な方法・低コストでの量産が可能であるため、同研究グループは、心拍センサなどのヘルスケアデバイス、介護用ロボットの入力に必要な人体動作センシングなどへの展開や、橋や道路などの構造物の劣化診断用の歪センサや、物流過程でのショック検出など、低コストセンサへの適用も期待されるとしている。また今後は、パイクリスタルと共同でデバイス開発を進めるとともに、社会実装への取り組みを行っていくとしている。