酒井 正俊

ISSN 2432-6380

溶媒フリーな印刷プロセスとして、熱ラミネート法の開発を行った。ゲートおよびソース/ドレイン電極を配置した2枚のポリイミドフィルム基板の間にC_8-BTBT粉末を適量配置し、加熱・加圧することによって有機薄膜トランジスタを作製した。繰り返し曲げ試験機を作製して、10000回までの曲げ耐久試験を有機薄膜トランジスタに行った。繰り返し曲げによる影響はいくつかのタイプに分類することができるが、徐々に進行するゲートリークによりトランジスタの機能を喪失する場合においても、電界効果キャリア移動度はほとんど劣化しないことが示された。また、トランジスタ作製上の技術的な問題をいくつか解決することによって、曲率半径1mmの10000回曲げに対しても特性がほとんど劣化しないトランジスタを作製した。

水の電気分解に必要な1.23V以上の高起電力が得られるタンデム型色素増感太陽電池を目指し、p型酸化物半導体であるNiOを光電極に用いた色素増感太陽電池を作製した。NiOナノ粒子混合ペーストの焼結温度を増加させると、開放端電圧が増加するが、光電流が減少する傾向が見られた。この現象は高温焼結によるNiOナノ粒子間のネッキングに由来する表面積の減少と透明導電膜との短絡抵抗の増加が主な要因であると考えられる。

印刷法によるフレキシブルディスプレイの実現に向けて、透明な塗布型ZnO-FET上に有機発光層を積層した構造を提案した。横型のZnO-FETを作製しUV/O_3アシストにより低温領域内で電流値の向上が見られ低プロセス温度化を実現した。この要因をX線回折評価法で調べたところ、ZnOは低温領域では結晶化しておらず、上記の電流値の向上はUV/O_3アシストによる薄膜内に存在する有機系不純物除去量の増加が主な原因として挙げられる。

有機電荷移動錯体には電子相関の効果によってさまざまな相転移を示す結晶が知られている。特に近年、電界秩序やモット絶縁体などの電子状態と光や電場により誘起される準安定相を探索する研究が盛んに行われてきた。本研究では有機電荷移動錯体の結晶を用いて電界効果トランジスタ構造を形成して、ゲート電界によって相転移を誘起することを試みた。観測されたゲート電界の効果は非常に小さいものの、バルク結晶の金属-絶縁体転移温度近傍において、転移温度の低温側へのシフトを示す結果が得られた。

有機半導体のインク化を経由しない印刷プロセスを目指して、トナー型の印刷プロセスと熱ラミネートによるTFT作製について検討を行った。熱ラミネートによるTFT作製においては160℃以下の低温プロセスでTFTが作製可能であることを示した。有機半導体を粉砕してトナーを作製し、ゼログラフィ技術への展開に必要な基礎的な検討を行った。ゼログラフィで有機半導体トナーのパターニングを行い、熱ラミネートでTFT作製ができれば、一貫した無溶媒印刷プロセスが実現する。作製したTFTについてフレキシブル性の評価・予測のため、有限要素計算によるデバイス内の歪分布の計算を行い、曲げによるデバイスへの影響について知見を得た。

フレキシブル色素増感太陽電池に向け、耐熱温度の低いプラスチック基板へ応用するためには、低温プロセスで色素増感太陽電池を作製する必要がある。本研究では、光電極構造の検討および色素増感太陽電池用ZnO光電極を低温プロセスで作製する方法の検討を行った。フォトリソグラフィ法により形成したパターン層を用いて作製したAZO(Al-doped ZnO)光電極では、フジツボ型のAZOが形成され、色素増感太陽電池の光電極に向けて有用な形状を得ることができた。

本研究では、低コストな印刷プロセスに向けたRFIDタグの作製に向け、段差型有機トランジスタとアンテナを一体化したRFIDタグ用アクティブアンテナを提案した。今回は、国際標準規格である10%振幅変調を得るため、SVC-OFETの抵抗変化、容量変化を利用したアクティブアンテナ構造を検討し、13.56 MHzにおけるRFID変調を見積もった。その結果、アンテナ部分において、先行研究に比べ約4倍のインダクタンスの向上を達成し、1.26倍の変調率の向上が見積もられた。また、簡便かつ低コストな段差形成法であるナノインプリント法を用いたアクティブアンテナ用SVC-OFETを作製し、RFIDタグ特性を見積もった。

本研究では、活性層および絶縁層に塗布可能材料を用いた積層型論理回路を作製し、その基礎特性を評価した。積層型論理回路は、トップゲート構造のZnO-TFT (nチャネル)の上にゲート電極を共有したボトムゲート構造のTIPS-pentacene TFT (pチャネル)を積層することで作製した。絶縁膜には、塗布可能材料である光硬化型シリコーン樹脂を使用した。作製した素子は、典型的な論理回路動作を示した。この積層型構造は、従来の基板上に平面的に作製した論理回路に比べ、素子表面積の縮小や配線長の短縮、活性層の塗り分けの容易化などの効果が期待できる。

フレキシブル有機トランジスタにおいて、力学的中立面に有機半導体層を配置することによって曲率半径サブミリメートルクラスの曲げ耐性が報告されている。力学的中立面においては、曲げにより生じる圧縮歪と引張歪がちょうど打ち消しあうため、このような良好な曲げ耐性が実現される。しかしながら、このような構造を持つフレキシブルデバイスにおいても、もちろん曲げ耐性の限界は存在する。そこで、我々はこのような構造を持つフレキシブルデバイスの曲げ耐性を予測するために、有限要素法による計算を行った。結果として、このようなフレキシブルデバイスで最も早い段階で破壊されうる所は、有機半導体層内で、かつ、Au電極端近傍の結晶粒界であるということを示した。

有機電荷移動錯体β-(BEDT-TTF)_2PF_6は297Kにおいて金属-絶縁体転移を示し、転移温度以下では電界秩序相が発現することが知られている。この物質の単結晶を用いて電界効果トランジスタ構造を作製し、ゲート電界によるコンダクタンスの変調を観測した。ゲート電界によるコンダクタンスの変調は、金属絶縁体転移温度において極大を示した。この温度依存性はゲート電界の印加による転移温度のシフトと考えることができる。

陽極酸化ポーラスアルミナは規則的な高次ナノ構造を有し、さまざまな用途が期待できる。本研究では、ナノポーラスアルミナを用いたDNA分子流路を有する有機ナノバイオトランジスタを提案した。このバイオセンサ素子はDNA固有の塩基が有する微少電荷をナノトランジスタ構造によって解析するデバイスである。DNAセンサ素子実現の第1段階として、減圧加熱ウェットプロセスを用いて有機半導体(銅フタロシアニン)材料を陽極酸化法で形成したナノポーラスへ注入した有機ナノトランジスタを作製した。ここでは、ナノトランジスタの作製方法と基礎的電気特性の評価を行った結果について報告する。

溶媒フリーな印刷プロセスとして、熱プレス法の開発・検討を行った。ゲートおよびソース/トレイン電極を配置した2枚のポリイミドフィルム基板の間にC_8-BTBT粉末を適量挟み、加熱・加圧することによって薄膜トランジスタを作製した。加熱・加圧の条件によって結晶の配向などをある程度制御することができる。作製した薄膜トランジスタの曲げ特性を検証したところ、曲率半径1mmまでの曲げに関して、トランジスタ特性がほとんど変化しないことが確かめられた。

The mechanical properties of organic field-effect transistors (OFET) fabricated by the thermal press method are evaluated for improving performance of flexible electronic devices. The thermal press method is a novel one to fabricate organic semiconductor devices without any toxic solvents which may cause some problems. In the present study, from the mechanical viewpoints, we have pointed out that the thermal press method has the advantages in forming the OFET with a laminated structure and creating new possibilities for developing a variety of the functional devices. The validity of this perception has been demonstrated by numerical simulations. Based on the present results, the laminated structure of the OFET is effective in not only protecting the semiconductor layer, but also increasing the bending stiffness of the OFET. Moreover, it is shown that the thermal press method has the potential to create various types of OFET to improve the functions of the flexible electronic devices.

本研究では、活性層および絶縁層に塗布可能材料を用いた積層型NAND回路を作製し、その特性を評価した。積層型NAND回路は、トップゲート構造のZnO-TFT(nチャネル)の上に、ゲート電極を共有したボトムゲート構造のTIPS-pentacene TFT(pチャネル)を積層することで作製した。絶縁膜には、塗布可能材料である光硬化型シリコーン樹脂を使用した。この積層型構造は、従来の基板上に平面的に作製した論理回路に比べ、素子表面積の縮小や配線長の短縮、活性層の塗り分けの容易化などの効果が期待できる。作製した素子は、典型的なNAND動作を示した。

有機ELディスプレイとして優位性を有するアクティブマトリクス駆動型の新型構造素子を提案した。また駆動用トランジスタの半導体層として塗布型ZnO 系材料に着目し透明ZnOトランジスタを作製した。一般にZnO薄膜は熱処理を行うことで特性の向上が見込まれるが、プラスチック基板等に対応するためには加熱温度を可能なだけ低温化させることが望ましい。そこで今回はUV/O_3アシスト熱処理法を行い、プロセス温度の低温化を実現した。

本研究では、代表的な有機半導体材料であるペンタセンの電界による選択成長を目指し、準熱平衡条件下の結晶成長における外部電界の効果を検証した。基板上にあらかじめ作製した電極に電圧を印加した状態で、温度勾配をつけた石英管中でペンタセン結晶を気相成長させた。片側の電極に+50Vを印加し、もう片側の電極を接地した場合には、接地側にペンタセンの結晶成長がみられた。同様に片側を-50V、もう片側を接地した場合には、-50Vを印加した電極上にペンタセンの結晶成長が見られた。印加電圧が0Vの場合にはペンタセンの結晶は成長しなかった。極性を持たないペンタセンにおいても、準熱平衡条件下の結晶成長において外部電界の効果が観測された。

有機電界効果トランジスタ(OFET)の代表格であるペンタセンOFETのキャリア輸送バンドには、素子がオン状態において振幅0.5-10meV程度以下のランダムなバンド端ゆらぎが存在していることが確認されている。この振幅は、ちょうどTHzフォトンエネルギー(0.41-41meV)に相当することから、OFETにおける蓄積キャリアがTHzフォトンからエネルギーを受けることができれば、OFETの出力電流がTHz波に応答して変化することが期待される。本研究では、ペンタセンOFETのゲート電圧を変化させて、THz時間領域分光法(THz-TDS)によってTHz吸収スペクトルを測定した。その結果、ペンタセンOFET中のゲート電界誘起キャリアがTHzフォトンからエネルギーを受けとっていることが確認された。

有機モット絶縁体(BEDT-TTF)(TCNQ)は、ドナー性分子bis(ethylenedithio)-tetrathiafulvalene(BEDT-TTF)とアクセプタ性分子7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane(TCNQ)により形成される有機モット絶縁体で、330Kで金属-絶縁体転移を起こすことが知られている。これまでの誘電応答測定により、Si基板表面に成長させた(BEDT-TTF)(TCNQ)結晶において、285Kにおいて強誘電相転移が起こることが明らかとなっていた。今回は強誘電相転移温度前後の温度領域において、静電容量および誘電正接の周波数・温度依存性を測定した。観測された誘電応答をCole-Coleプロットにより分離し、(BEDT-TTF)(TCNQ)の複素誘電率に相当する成分を抽出した。誘電応答はHavriliak-Negami型の不均一な分布を持つ緩和により説明された。

HMDS処理を行ったSiO_2基板や、SiO_2の代わりにポリイミドを用いて作製したペンタセン薄膜トランジスタの移動度向上メカニズムを明らかにするため、これらの試料のHOMOバンド端ゆらぎや、面内結晶子サイズを評価し、表面処理の有無で何か変わるのかを評価した。表面処理を行うことで、結晶ドメインサイズが増大したが、HOMOバンド端ゆらぎや面内結晶子サイズはほとんど変わらなかった。一方、移動度を結晶ドメインサイズに対してプロットすると、表面処理の有無によらず一本の直線上に分布することが判った。このことから、表面処理による移動度の向上は、主に結晶ドメインサイズが大きくなることによるものであることが明らかになった。