Interface structure control for developing extremely sharp-switching organic semiconductors

本研究では、高移動度・低電圧駆動・高急峻スイッチングを同時に示す実用的な塗布型薄膜トランジスタの実現を目指し、有機半導体と絶縁層／電極との界面における高効率なキャリア輸送／注入が両立する機構の解明と、これに適した新規層状有機半導体開発、構造-物性相関の解明、及び革新製膜プロセス開発を行った。前年度の成果を踏まえて、本年度はまず、①金属電極上における極薄半導体層の安定性と経時に伴う構造変性の様相をさらに詳細に調べた。特に経時劣化が確認されたPh-BTBT-Cn系を主な対象に、２分子膜の積層数・電極の表面修飾の有無・封止膜の有無等による挙動について調べた。結果、絶縁層上の有機半導体層には劣化は全く見られないものの、金属電極上では劣化速度が有機半導体層の層厚に依存して進行すること、また保護層により劣化を抑制できることが分かった。またAFM測定・放射光X線回折・可視光偏光吸収測定等により、経時とともに２分子膜構造の再構成が生じていることが明らかになった。また、②新規層状有機半導体開発については、Ph-BTBT-Cnのフェニル基先端にメチル基を付与したpTol-BTBT-Cnを開発し、分子層間の相互作用がメチル基により著しく抑えられる効果を確認した。特に層間相互作用の抑制によって、アルキル鎖の炭素数が偶数の場合に、非対称分子が一様に整列した分子層どうしが、全て向きを同一にして積み重なった新たな極性層状ヘリンボーン構造を構成することが明らかになった。さらに、③層状有機半導体による溶液に絶縁ポリマーを混合するポリマーブレンド法による簡易製膜法の検討を進めた。結果、多結晶薄膜で急峻なスイッチングを示す高性能コプラナー型薄膜トランジスタの開発に成功した。

本研究では、高移動度・低電圧駆動・高急峻スイッチングを同時に示す実用的な塗布型薄膜トランジスタの実現を目指し、有機半導体と絶縁層／電極との界面における高効率なキャリア輸送／注入が両立する機構の解明と、これに適した新規層状有機半導体開発、構造-物性相関の解明、及び革新製膜プロセス開発を行った。前年度の成果を踏まえて、本年度はまず、①金属電極上における極薄半導体層の安定性と経時に伴う構造変性の様相をさらに詳細に調べた。特に経時劣化が確認されたPh-BTBT-Cn系を主な対象に、２分子膜の積層数・電極の表面修飾の有無・封止膜の有無等による挙動について調べた。結果、絶縁層上の有機半導体層には劣化は全く見られないものの、金属電極上では劣化速度が有機半導体層の層厚に依存して進行すること、また保護層により劣化を抑制できることが分かった。またAFM測定・放射光X線回折・可視光偏光吸収測定等により、経時とともに２分子膜構造の再構成が生じていることが明らかになった。また、②新規層状有機半導体開発については、Ph-BTBT-Cnのフェニル基先端にメチル基を付与したpTol-BTBT-Cnを開発し、分子層間の相互作用がメチル基により著しく抑えられる効果を確認した。特に層間相互作用の抑制によって、アルキル鎖の炭素数が偶数の場合に、非対称分子が一様に整列した分子層どうしが、全て向きを同一にして積み重なった新たな極性層状ヘリンボーン構造を構成することが明らかになった。さらに、③層状有機半導体による溶液に絶縁ポリマーを混合するポリマーブレンド法による簡易製膜法の検討を進めた。結果、多結晶薄膜で急峻なスイッチングを示す高性能コプラナー型薄膜トランジスタの開発に成功した。