Electronic phase control of two-dimensional hole gas in organic semiconductors

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有機半導体分子の自己組織化周期構造において、高速で大規模な情報演算に必要な量子エレクトロニクスのベースとなる、二次元電子ガスの金属絶縁体転移をはじめて実現した。本研究で用いた有機半導体の複雑構造は、①高分子基板としてPEN(ポリエチレンナフタレート)の上に単結晶の成膜性向上のためにパラキシリレン系ポリマーであるパリレンを堆積させたものの上に、②低分子半導体アルキルジナフトベンゾジチオフェン(Cn-DNBDT)のパイ共役分子ユニットに電子を閉じ込める「量子井戸分子」の１～２分子層の二次元有機半導体結晶を成長させ、更にその上に、③電気二重層を形成して②のキャリア量を制御するイオン性ゲル層からなる。これは、C8-DNBDTを用いた電気二重層トランジスタ（EDLT）である。C8-DNBDT の単結晶に面密度～ 4×1013 cm－2（～0.1 電荷/1 分子）以上のキャリアを誘起すると、構造を保持したまま2 次元電子（正孔）ガスが形成されること、更に10 K以下の低温に冷却すると、電気抵抗が減少する金属状態に転移することを発見した。この２次元系のシート伝導率を測定したところ、低温で対数温度依存性を示した。この対数温度依存性を発現する機構としては、弱局在効果と，電子相関の効果がある。測定した磁気抵抗は正の効果を示し、少なくとも～ 5 × 1013 cm－2 程度のキャリア密度・4 K 程度までの測定温度領域においては、弱局在効果は支配的ではないことがわかった。単一成分系からなる有機半導体薄膜の二次元電子（正孔）系において、電子相関が生じることを世界で初めて実験的に明らかにしたことになる。今後は、より高いキャリア密度、より低温、そして10T以上の強磁場領域での電子物性解明に取り組むとともに、この「ソフトでクリーンな二次元電子系」の超伝導と言う新電子相の実現を目指す。