东京大学先端科学研究生院、材料创新研究中心、产业技术综合研究所AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室（注 1），国家材料科学研究所国际材料纳米结构中心（WPI-MANA）的联合研究小组受洗衣胶的启发，开发了一种将高清图案电极附着到有机半导体上的方法。
为了驱动具有各种功能的电子设备，用于输入和输出电压和电流的电极是必不可少的。电极通常由金属制成，并且通常使用大量能量在高真空下沉积，因此最大限度地减少对安装电极的表面的损坏并优化其与基材的附着力和兼容性也很重要。
该研究小组利用了洗衣胶成分聚乙烯醇在干燥时固化、遇水容易溶解的事实。该研究小组开发了一种方法，将基板上高清晰度图案的电极与聚乙烯醇一起剥离为电极膜，然后转移到半导体上。此外，通过将金属电极附着到仅由一层分子层（4纳米厚）组成的有机半导体上，我们证明可以充分利用半导体的功能。它的附着位置限制很少，可以应用于曲面和生物体。这一结果使得能够应用于各种堆叠设备，并有望在未来的工业应用中用作低成本柔性电子产品的工艺。
这项研究成果发表在英国科学杂志《科学报告”将于2020年3月13日版发布。这项研究是作为日本学术振兴会（JSPS）科学研究资助金“单晶有机半导体和柔性机械电子学中电子传导的巨大应力应变效应”和“使用有机单晶半导体实现自旋晶体管”（研究代表：竹谷淳一）的一部分进行的。
[背景]
半导体在各种电子器件中发挥着重要作用，目前广泛使用硅等无机半导体。为了将半导体用作传感器和逻辑运算等功能元件，需要在半导体上形成用于输入和输出电压和电流的电极。电极通常是金属，真空蒸镀法（注2）是啊溅射法（注3），并且有必要抑制高能量对半导体造成的损坏。另一个重要问题是解决由于粘合强度不足而导致的与半导体接触不良的问题。形成这种金属电极的问题在有机半导体领域已经变得显而易见，有机半导体是柔性电子器件的基础材料。
有机半导体可以让您通过简单的涂覆和干燥，以低成本获得高质量的晶体薄膜。RFID标签（注4）以及各种传感器。然而，与原子通过共价键牢固地结合在一起的无机半导体相比，分子通过弱分子间力结合在一起的有机半导体容易受到溶剂和热的损坏。例如，有机场效应晶体管（OFET：注释 5）有机半导体是通过层叠有机半导体和电极等部件来制造的，但在有机半导体上形成电极时，需要抑制图案化所需的热和溶剂造成的损伤。
[方法和结果]
为了解决这些问题，我们一直在研究一种方法，即预先在单独的基板上制造电极，然后将其转移到半导体上。为了将在基板上制作的电极直接转移到半导体表面，电极必须以足够的强度接合到半导体以便从基板剥离。然而，由于半导体和电极必须直接接触并电连接，因此不可能在其间使用粘合层，从而难以形成牢固的结合。因此，我们考虑了各种基材和制造工艺。最终，我从洗衣胶干燥时会变硬，但与水接触时很容易溶解的事实中得到了提示，我想到了用“胶水”将电极从基板上剥离下来，然后再除去“胶水”的想法。此外，我们认为如果用薄保护层覆盖电极，我们可以利用半导体和保护层之间的静电力使电极与半导体接触。
图 1 显示了我们将电极连接到半导体的方法。在该方法中，使用两种廉价且广泛使用的聚合物将基板上图案化的电极转移到半导体上。第一种是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），它是一种丙烯酸树脂，第二种是聚乙烯醇（PVA），它被称为洗衣淀粉的成分，极易溶于水。首先，在基板上对电极材料进行图案化，并在其顶部涂上一层薄薄的 PMMA。所有这些材料都很薄，从几十到100纳米不等（一纳米是十亿分之一米），这使得它们很难直接处理。因此，我们将 PVA 涂在其上，厚度为 20 至 30 微米（1 微米是百万分之一米）并让其干燥。然后将电极、PMMA 和 PVA 一次性从基材上剥离，以获得易于处理的电极膜（图 2，左）。接下来，将电极膜粘贴在半导体上，并用热水溶解并除去PVA，并通过静电力将薄电极和PMMA吸附到半导体上。使用上述简单的方法，我们能够成功地将高精度 1 微米的电极图案转移到半导体上，而在此过程中不会发生膨胀或收缩（图 2，右）。
为了证实所开发方法的实用性，我们通过在单分子层（4 纳米厚）单晶有机半导体顶部附着电极来制造原型 OFET。在采用传统真空蒸镀法形成电极的OFET中，即使栅极电压发生变化，也几乎没有漏极电流流动，因此由于热损伤，特性显着下降（图3中的橙色虚线）。另一方面，当栅极电压改变时（图3中的红色实线），使用所开发的方法制造的OFET显示出漏极电流值，这是有机半导体的原始性能，并且从栅极电压与漏极电流的平方根之间的关系（图3中的蓝色实线）来看移动性（注释 6）时，10厘米是实际使用的指标2/Vs，证明可以发挥单层有机半导体的性能。
图1上）将电极转移到有机半导体膜上的方法的示意图。
下）设备的横截面图。
图2左)制备的电极膜的照片。
右）电极转移到半导体薄膜之前和之后的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。
图3 所制造的单分子层OFET的饱和区域中的传输特性（实线）和使用传统真空蒸发方法制造的电极的OFET的传输特性（橙色虚线）。VD是漏极电压。
[未来展望]
使用这种方法，可以更容易地制造堆叠器件，从而可以制造实现更复杂和更先进功能的集成电路。
此外，它使用PMMA和PVA，价格便宜，通用性强，对环境影响小，并且可以容易地制成大面积，并且可以应用于各种表面形状的半导体，例如曲面，因此对电极附着的半导体侧面的限制较少。未来，预计利用这些特性的有机半导体将为软电子和生物电子领域的社会实现做出贡献。
Tatsuyuki Makita（东京大学前沿科学研究生院材料科学系博士生二年级）
渡边俊一郎（东京大学前沿科学研究生院材料科学系特聘副教授/东京大学产业技术综合研究所先进操作数测量技术开放创新实验室客座研究员）
竹谷淳一（东京大学研究生院前沿科学研究生院材料科学系教授/东京大学材料创新研究中心（MIRC）/米乐m6官方网站特聘教授）兼任边缘操作数测量技术开放创新实验室/国立材料科学研究所国际纳米结构中心客座研究员(WPI-MANA) MANA 首席研究员（交叉任命））
出版杂志
杂志名称：“科学报告” （网络版：3月13日）
论文标题：无损伤金属电极转移到单层有机单晶薄膜
作者：Tatsuyuki Makita、Akifumi Yamamura、Junto Tsurumi、Shohei Kumagai、Tadanori Kurosawa、Toshihiro Okamoto、Mari Sasaki、Shun Watanabe* 和 Jun Takeya*
DOI 号：101038/s41598-020-61536-8