Electronic phase tuning in organic two-dimensional hole-gas system and organic quantum electronics

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シリコンに代表される無機半導体は、原子が強い共有結合で結びついて電子の伝導経路を構成しているが、有機半導体は、中の分子を結びつけているのは結合力が1桁小さいファンデルワールス力で、電子の伝導は隣り合った分子の外側に広がった軌道のわずかな重なりに依存している。有機半導体が無機半導体と比べ10倍柔らかいことで応力に対する特異な電子物性の変化を引き起こす現象について、電気伝導変化の源となる分子配置の変化が応力と一対一対応する単結晶有機半導体を用い、巨大な圧力応答や歪効果が生ずることを見出した。有機半導体の「柔らかい」格子構造は電子系とも強く結合しており、電子格子相互作用によってわずか3%の格子変形に対して70%もの移動度の上昇を引き起こす巨大歪効果があり、結晶格子の二次元構造を大幅に変調できるチューナビリティを最大限に活かして、二次元歪を入力に電子状態を制御することを可能にした。アルキルジナフトベンゾジチオフェン(Cn-DNBDT)などアルキル鎖を有するパイ共役分子において、極めて優れた周期性を有する結晶薄膜を容易に二次元大面積に成長させる技術を実現し、「ソフトでクリーンな電子系」において分子間に広がったコヒーレントな非局在電子状態を形成することを明らかにした。二次元単結晶のトランジスタの移動度は10 cm2/Vsを超え、さらにイオンゲルの電気二重層を用いて極低温で金属絶縁体転移することも見出した。Cn-DNBDTは “量子井戸分子”の特徴を有するため、ユニット間の結合ポイントが原子スケールで平坦な界面を構成する二次元結晶化により、量子井戸にクリーンな電子系を閉じ込めた二次元系を実現し金属化に成功した。特に、量子井戸分子結晶に分子あたり1／4個を超えるキャリアをドープすることに成功し、強い電子相関効果を見出した上、歪みを加えた場合に大幅なキャリア移動度の増大を実現した。