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有機半導体分子の自動整列

半導体の製造には単結晶という状態の物質が必要です。単結晶とは、1個の結晶内のどの部分においても原子配列の向きがまったく同一であるもののことで、単結晶では電子が移動しやすくなります。電子が移動しやすければしやすいほど、質の良い半導体だと言えます。

東京大学、東北大学、大阪大学、筑波大学、広島大学、スタンフォード大学などの共同研究グループは、有機半導体単結晶の超薄膜を印刷プロセスで基板上に作成した時、出来上がった半導体の中で分子がどのような配置になっているかを0.1ナノメートル、つまり、原子が見えるほどの精度で観測することに成功しました。インクの中に半導体の分子を入れて、普通のインクジェットプリンターのように印刷するとインクは蒸発し、基板上に半導体分子だけが残って、10ナノメートルくらいの厚さの回路ができます。

半導体に使われる有機化学物質の分子は、同一の構造式を有する有機分子でも、結合の回転の自由度に起因する分子の形状(立体配座)の違いや、多数の分子が集合した際の並び方(集合体構造)の違いによって、その化学的・物理的特性が異なります。したがって、半導体により適した分子を開発するには、分子式に着目するだけでなく、分子の集合体としての性質を最適化する必要があります。

半導体超薄膜中では、1平方センチメートルあたりに100兆個以上の分子が自ら集合することで高品質の単結晶が形成されています。電気の流れやすさは、この膨大な量の分子が半導体薄膜の中でどのように配列しているかが大きく関係していると思われていましたが、10ナノメートルの厚さの分子は、あまりに小さなスケールであるために、どのようになっているかよくわかっていませんでした。

今回、研究グループは、国内外の放射光施設を駆使してX線の反射や吸収の精密計測に取り組みました。その結果、有機半導体単結晶の基板界面の分子の形状を0.1ナノメートルの精度で決定することに成功し、基板に物理吸着するだけで、100兆個以上におよぶ全ての分子の形状が同じように変化することを世界で初めて明らかにしました。また、超薄膜の厚さを制御することで、分子形状が変化し、電子の移動度が変化することに伴って、最高で4割も向上することがわかりました。

有機半導体に使用される有機化学物質は複雑な構造をしていることが多く、多くの場合構造が複雑になると構造が固くなると思われていましたが、今回の研究では、そのような物質でも物理吸着現象に伴って、分子の形状が変化することがわかりましたので、今後、材料界面を制御することで、有機エレクトロニクス材料のさらなる高性能化・高機能化が期待されます。

有機半導体分子の自動整列
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2020-02-17 : ヴォイニッチの科学書 : コメント : 0 :
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