有機半導体のデバイス性能を決める要因を見逃すな！－分子層内相互作用による構造安定化が電荷移動度向上に寄与－ (2026.10.7)

　東京科学大学（Science Tokyo） 物質理工学院 応用化学系の岡本敏宏教授、熊谷翔平特任准教授、福﨑英治特任准教授、東京大学 大学院新領域創成科学研究科 物質系専攻の竹谷純一教授、北里大学 未来工学部の渡辺豪教授、筑波大学 数理物質系 物質工学域の石井宏幸教授らの研究チームは、有機半導体の結晶構造から予測される性能と、実際の薄膜デバイス性能との間に生じる乖離の原因を突き止め、デバイスのさらなる高性能化に向けた重要な指針を提案しました。

　パイ電子系分子からなる有機半導体は、インクのように塗るだけで電子回路を作れるため、次世代の半導体材料として期待されています。しかし、無機半導体に比べ、電荷移動度が低いという課題がありました。これは有機半導体が分子間の弱い相互作用で自己組織化した材料であるため、分子の熱振動によって電気の通り道が不安定になることが一因です。本研究では、n型有機半導体に着目し、置換基の異なる位置にフッ素を導入した新しい分子群を開発しました。これらの分子は酷似した結晶構造を持ち、同等の移動度を示すと予想されましたが、実際に単結晶薄膜トランジスタを作製して性能を評価すると、4倍以上の大きな性能差が見られました。分子動力学シミュレーションを用いて分子の動きを検証したところ、フッ素原子が作る分子間引力の向きの違いが、電気の通りやすさを大きく変えていることが判明しました。この発見は、分子の静的な整列を制御するだけでなく、デバイスの界面において、置換基を介して分子の動的な振る舞いを制御することが高性能化の鍵であるという、新しい設計指針を示すものです。

本成果は、8月7日付（現地時間）の「Scientific Reports」誌に掲載されました。

詳細は筑波大学のプレスリリースをご覧ください。

　　　　　　筑波大学数理物質系　 石井宏幸教授