mile米乐官方网站 可印刷的高性能n型有机半导体单晶的开发

东京大学前沿科学研究生院材料创新研究中心AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室（注1），国立材料科学研究所和筑波大学数学与材料系的联合研究小组正在使用可印刷且具有能带导电性的n型有机半导体单晶薄膜。短波段（注2）

有机半导体因其重量轻、机械灵活性和可印刷性而有望成为下一代有机电子产品的重要电子材料。另一方面，电子在分子之间跳跃（跳频传导)（注3）允许电流流动的有机半导体移动性(注4))是实际使用中的一个问题。然而，最近，有机半导体以及无机半导体带电导率（注5），10厘米²V^-1s^-1已经实现了。由于高迁移率是高速晶体管所必需的重要特性，因此对使用这些有机半导体的高速有机晶体管的实际应用的期望越来越高。然而，这些有机半导体大多是空穴传输型（p型），因此很难降低功耗。补充有机装置（注6），有必要开发一种电子传输（n型）有机半导体材料。与p型有机半导体相比，n型有机半导体由于难以保证大气稳定性和形成有效的导电路径，因此发展迟缓。

该研究小组现已发现，该小组最近开发的一种n型有机半导体材料在印刷单晶薄膜中表现出能带电导率。此外，这种单晶薄膜即使在微加工后也表现出高迁移率，我们已成功地将其应用于在大气中以43 MHz运行的高速n型有机晶体管。这是第一个采用印刷法和单晶薄膜的n型有机半导体的高速晶体管，可以说这是由于带导带来的高迁移率而实现的。

未来，预计通过改进工艺技术，扩大工作频段，并通过与p型有机晶体管相结合，创造出可高速驱动的互补有机器件，并开发出柔性RFID标签，以实现物联网社会。

这项研究成果发表在德国科学杂志《先进材料'' 发布于 2020 年 11 月 16 日版。这项研究得到了日本学术振兴会（JSPS）科学研究资助金“单晶有机半导体中电子传导的巨大应力应变效应和柔性机械电子学”、“利用有机单晶半导体实现自旋晶体管”（研究代表：竹谷纯一）、“基于分子间振动抑制的下一代有机半导体材料的创造”（研究代表：冈本敏博）、“基于第一原理和有机材料的热电转换计算理论的发展。“利用少量能量创造创新的能量收集技术”（研究主任：石井博之）和日本科学技术振兴机构（JST）战略基础研究促进项目（PRESTO）研究领域：谷口健二）研究项目“利用有机半导体结构控制技术创造创新热电材料”（研究员： Toshihiro Okamoto，东京大学前沿科学研究生院材料科学系副教授）。

[研究背景]

有机半导体是π电子分子的聚集体，人们正在积极研究有机半导体作为替代硅的下一代电子材料，因为它们可以使用印刷方法在低温下进行大面积加工。例如，物联网社会所必需的RFID 标签（注7）和万亿传感器宇宙（注8）所需的多用途传感器的核心。硅等原子通过共价键连接的无机半导体由于能带传导而表现出高迁移率，而电子通过分子轨道的弱重叠进行跳跃的有机半导体则存在迁移率低的问题。然而，最近报道了几种具有与无机半导体相似的能带传导性的有机半导体，并报道了10 cm²V^-1s^-1的迁移率，并且对于在兆赫及以上的高频下工作的有机晶体管是有用的。然而，这些研究大多集中在p型有机半导体上，而对表现出带电导率的n型有机半导体的开发或了解很少。特别是，还没有带导n型有机半导体与印刷方法之间的兼容性的例子，并且在将研究应用于能够高速操作的有机晶体管方面也没有取得进展。

[研究内容及结果]

本课题组前期开发了一种n型有机半导体材料PhC，具有高迁移率、大气稳定性和抗热应力性，适合印刷方式₂−BQQDI 报道（T Okamoto、J Takeya等，2020 年科学进展https://wwwjstgojp/pr/announce/20200502/indexhtml）。在这项研究中，博士₂-通过使用印刷方法形成BQQDI单晶薄膜并创建晶体管来实现低温下的温度可变霍尔效应11145_11232₂−BQQDI 单晶薄膜已被发现表现出理想的能带传导。此外，我们成功地分析了较宽温度范围内的单晶结构，并通过将实验结果与理论计算进行比较，我们能够详细了解传导机制。迄今为止，霍尔效应测量都是对气相法生产的n型有机半导体单晶进行的，但这项研究成果是可印刷n型有机半导体单晶的第一个例子，有望促进基于能带传导和高迁移率的实用高性能有机晶体管的开发。

事实上，我们使用印刷后微加工的有机单晶薄膜，成功开发了一种在大气中短波段工作频率为 43 MHz 的 n 型有机晶体管（图 2）。该设备采用连续边缘铸造方法（J Takeya）制造，该方法有望用于单晶薄膜的大面积印刷。等，科学报告 2019https://wwwjstgojp/pr/announce/20191104/indexhtml) 或光刻技术（注10），未来有可能扩展到大规模积累。

[未来展望]

未来，随着包括印刷技术在内的器件工艺技术的进步，预计更高频段的操作将成为可能。我们还在研究将该技术与单晶p型有机晶体管相结合，应用于互补有机器件，有望带动有机物联网器件的发展。

Shohei Kumagai（东京大学前沿科学研究生院材料科学系特聘助理教授）
渡边俊一郎（东京大学前沿科学研究生院材料科学系副教授/
　米乐m6官方网站、产业技术综合研究所、东京大学、先进操作数测量技术开放创新实验室、客座研究员）
Toshihiro Okamoto（东京大学前沿科学研究生院材料科学系副教授/
兼任JST PRESTO研究员/
　米乐m6官方网站、产业技术综合研究所、东京大学、先进操作数测量技术开放创新实验室、客座研究员）
Junichi Takeya（东京大学前沿科学研究生院材料科学系教授/
材料创新研究中心（MIRC）特聘教授/
　米乐m6官方网站、产业技术综合研究所/东京大学，先进操作数测量技术开放创新实验室，客座研究员/
　国立材料科学研究所、国际纳米结构研究中心 (WPI-MANA) MANA 首席研究员（交叉任命）
Hiroyuki Ishii（筑波大学数学与材料系助理教授）

杂志名称：“先进材料” （11 月 16 日）
论文标题：空气稳定、印刷单晶有机半导体中的相干电子传输及其在兆赫兹晶体管中的应用
作者：Shohei Kumagai*、Shun Watanabe、Hiroyuki Ishii、Nobuaki Isahaya、Akifumi Yamamura、Takahiro Wakimoto、Hiroyasu Sato、Akihito Yamano、Toshihiro Okamoto、Jun Takeya
DOI 号：101002/adma202003245
网址：https://doiorg/101002/adma202003245

（注 1）AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室

AIST 和东京大学于 2016 年 6 月 1 日在东京大学柏校区建立的研究中心。我们通过结合彼此的种子技术，加强以“桥接”为目的的基础研究，构建产学官网络，开展利用尖端操作测量技术的生物功能材料、新材料、创新装置等的产业化和实际应用的研发。[返回参考源]

(注2)短波频段

指4 MHz至26175 MHz频段的无线电波，用于船舶和飞机的远距离通信以及业余无线电。此外，用于物流管理等的RFID标签的通信频率为1356 MHz。[返回来源]

(注3) 跳频传导

一种导电机制，其中电子的行为就像限制在有机半导体分子中的粒子一样，并通过在分子之间间歇性跳跃来传播。[返回来源]

（注4）移动性

它是表示电荷在电场作用下移动的难易程度的量，值越大，越容易导电。 10cm用于物联网设备操作²V^-1s^-1或更高的迁移率是理想的。[返回来源]

(注5)能带传导

一种电子传导机制，其中电子以传播波的形式在晶体中传播。它是金属和无机半导体中表现出高导电性的传导机制。[返回来源]

（注6）互补有机器件

一种电子电路或器件，其组成元件是一对p型和n型有机晶体管。对应于 CMOS 硅器件。[返回来源]

(注7) RFID标签

通过使用无线电波的无线通信交换个人识别码信息 (ID) 的标签。 Suica 等交通卡也包含在 RFID 标签中。[返回来源]

（注8）万亿传感器宇宙

随着物联网的进步，世界各地的每个人都可以从尖端科学技术中受益。据估计，每年消耗 1 万亿个传感器。[返回来源]

(注9)霍尔效应

当垂直磁场施加到以能带传导方式流经材料的电子时，由于洛伦兹力，在与它们正交的方向上产生电压。在有机晶体管中，通过在调制栅极电压的同时检查霍尔效应，可以区分跳跃传导和能带传导，并研究传导机制。[返回来源]

（注10）光刻

一种通过涂覆一薄层感光材料（光刻胶）并将图案曝光到表面来在曝光和非曝光区域创建图案的技术。[返回参考源]

(注11)截止频率

晶体管具有将输入信号以一定系数放大并输出的功能。不再获得放大的频率定义为截止频率。[返回来源]