走査型プローブ顕微鏡を用いた有機ナノトランジスタの作製と評価

使用扫描探针显微镜制造和评估有机纳米晶体管

• 批准号: 13750266
• 负责人: 中村 雅一
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Chiba University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13750266/
• 关键词: 有機トランジスタ; 原子間力顕微鏡; ナノ構造; 有機半導体; 銅フタロシアニン; ペンタセン; 金属; 有機半導体界面

本研究では、ナノメートルスケールの有機トランジスタに関する基礎的な知見を得るため、導電性AFM探針を用いて有機薄膜の局所電気物性の評価や試作トランジスタの動作特性等を調べることを目的としている。まず、導電性探針および高感度AFM電流像測定を行うための装置改良を行った。これを用いて、マイカ上およびSiO_2上に成長させた針状結晶について結晶の厚みと導電率の関係を調べた結果、薄くなるほど導電率が高く、また、SiO_2上のほうがその傾向がより顕著であることが見いだされた。これは、基板表面によるキャリアドーピングが起こっていることを示唆するものであり、有機半導体ナノ構造の電子応用に関する重要な知見である。さらに、探針を特定の位置に固定してトランジスタ特性を測定できる3端子測定系(AFM-FET)の最適化を行い、探針をキャリア注入(ソース)電極とするナノスケールの電界効果トランジスタ測定を行った。これを用いたSiO_2上のCuPc結晶粒に対するAFM-FET測定から、CuPc単結晶粒では電界効果移動度が約10^<-2>cm^2/Vsと多結晶薄膜のものより2〜3桁高くなることを実証した。高移動度材料としてよく知られているペンタセンについても同様の測定を行ったところ、トラップへの充電電流と考えられる電流成分が大部分を占めるという結果となった。そこで、構造と物性の対応を知るための基礎実験として、分子線蒸着法によって成長条件による結晶型、結晶粒形、粒径の相図を得る実験を行い、通常のFET測定および25μm間隔のマイクロ4探針FET測定からキャリア輸送の阻害要因の候補を明らかにした。また、微細孔を多数有するAl膜をCuPc膜で挟んだ積層構造に対して、縦型のAFM-FET測定を行い、素子構造の最適化によって10^3程度の電流on/off比を示す100nmサイズのトランジスタが出来ることを明らかにした。

为了获得有关纳米尺度有机晶体管的基本知识，本研究旨在评估有机薄膜的局部电气性能，并使用导电AFM探针检查原型晶体管等原型晶体管的工作特性。首先，进行了改进，以执行导电探针和高度敏感的AFM电流图像测量。使用此过程，我们研究了在云母和SIO_2上生长的针状晶体的厚度和电导率之间的关系，并发现电导率随着其变薄而较高，并且在SIO_2上趋势更为明显。这表明载体掺杂发生在底物表面，这是有机半导体纳米结构的电子应用的重要发现。此外，优化了通过将探针固定在特定位置的探针来测量晶体管特性的三端测量系统（AFM-FET），并使用探针作为载体注射（源）电极进行了纳米级场效应晶体效应测量。使用这种方法，SIO_2上的Cupc晶体晶粒上的AFM-FET测量表明，CUPC单晶晶粒的场效应迁移率约为10^<-2> cm^2/vs，比多晶型薄膜高2-3个数量级。对五苯二苯甲苯进行了类似的测量，该测量值为高迁移率材料，发现当前大多数组件被认为是陷阱的充电电流。因此，作为了解结构和物理特性之间对应关系的基本实验，我们进行了一个实验，以通过分子束沉积来获得晶体类型，晶粒形状和晶粒尺寸的相图，并通过分子束沉积的生长条件，并通过正常的FET测量和25μm的微型探头测量值揭示了抑制载体运输的候选因子。此外，对层压结构进行了垂直AFM-FET测量，其中将CUPC膜夹在CUPC膜之间的纯毛孔中，并揭示了100 nm尺寸的晶体管，可以通过优化设备结构来实现电流/OFF的电流/OFF速率约为10^3。

项目成果

村石典生, 中村雅一, 飯塚正明, 工藤一浩, 田中國昭: "有機ナノSIT:ゲート構造の作製と導電性AFM探針を用いた特性評価"第63回応用物理学会学術講演会. '02秋3. 1094 (2002)

Norio Muraishi、Masakazu Nakamura、Masaaki Iizuka、Kazuhiro Kudo、Kuniaki Tanaka：“有机 nanoSIT：使用导电 AFM 尖端制造栅极结构和表征”日本应用物理学会第 63 届年会秋季 02 3.1094 (2002)。

渡邊昌敏, 近藤晶子, 中村雅一, 飯塚正明, 工藤一浩: "銅フタロシアニン超薄膜の面内電気伝導に及ぼす基板の影響(2)"第63回応用物理学会学術講演会. '02秋3. 1087 (2002)

Masatoshi Watanabe、Akiko Kondo、Masakazu Nakamura、Masaaki Iizuka、Kazuhiro Kudo：“基材对超薄铜酞菁薄膜面内导电的影响 (2)”第 63 届日本应用物理学会年会 02 秋季 3。 1087 (2002)

M.Nakamura他: "Influence of Substrate on In-Plane Electrical Conduction of CuPc Nano-Crystals"Mat. Res. Soc. Symp. Proc.. (掲載予定). (2003)

M. Nakamura 等人：“基板对 CuPc 纳米晶体平面内导电的影响”，Soc.（即将出版）。

村石典生, 中村雅一, 飯塚正明, 工藤一浩, 田中國昭: "導電性AFM探針を用いた有機ナノSITの作製"電子情報通信学会技術報告. OME2002-15. 13-17 (2002)

Norio Muraishi、Masakazu Nakamura、Masaaki Iizuka、Kazuhiro Kudo、Kuniaki Tanaka：“使用导电 AFM 尖端制造有机纳米 SIT”OME2002-15 (2002)。

M.Nakamura他: "AFM Study of Discrete Surface Functional Group Fabricated by Langmuir-Blodgett Technique"Trans. Mat. Res. Soc. Jpn.. (掲載予定). (2003)

M. Nakamura 等人：“通过 Langmuir-Blodgett 技术制造的离散表面官能团的研究”，Trans. Soc.（即将出版）。