単一の半導体材料にて正孔と電子の異なる輸送異方性を実証~分子半導体における理論予測を実証し、次世代電子デバイス開発の新たな指針を提示~

2025-09-04 東京大学,横浜国立大学,東京理科大学,産業技術総合研究所,科学技術振興機構

東京大学、横浜国立大学、東京理科大学、産総研、JSTの研究チームは、独自に開発したアンバイポーラ分子半導体「Ni(4OPr)」を用いて、単一材料内で正孔と電子が異なる輸送異方性を示すことを世界で初めて実証しました。正孔は特定方向のみを流れる一方通行的挙動を、電子は多方向に拡散可能な等方的挙動を示すことが判明。これは分子軌道(HOMOとLUMO)の異なる相互作用が起源であることを実験的に解明し、高輝度X線を用いた構造解析で理論予測とも一致しました。本成果は、キャリアの種類ごとに流路方向を制御できる新しい設計指針を提示し、高性能OFET、有機太陽電池、柔軟な論理回路など次世代電子デバイスの開発に新たな展望を開くものです。

単一の半導体材料にて正孔と電子の異なる輸送異方性を実証~分子半導体における理論予測を実証し、次世代電子デバイス開発の新たな指針を提示~
アンバイポーラ(両極性)の分子半導体を用いることで、単一材料内において正孔と電子が異なる輸送異方性を示す有機電界効果トランジスタ(OFET)を実現

<関連情報>

両極性ニッケルジチオレン系半導体における顕著な正孔・電子輸送異方性 Distinct Hole and Electron Transport Anisotropy in Ambipolar Nickel Dithiolene-Based Semiconductor

Dr. Masatoshi Ito, Assoc. Prof. Tomoko Fujino, Dr. Toshiki Higashino, Assoc. Prof. Mafumi Hishida, Prof. Hatsumi Mori
Angewandte Chemie International Edition  Published: 03 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202512609

Abstract

Understanding anisotropic charge transport in molecular semiconductors is crucial for device optimization, yet its intricate dependence on orbital-specific intermolecular interactions and molecular packing remains a challenge, especially in ambipolar systems. In ambipolar semiconductors, where both holes and electrons participate in conduction, distinct molecular orbitals prompt a critical inquiry: can orbital variations result in coexisting yet distinct anisotropic transport properties within a single component? We confirm this possibility by demonstrating that the air-stable nickel dithiolene, Ni(4OPr), exhibits such behavior. Despite its herringbone stacking implying a two-dimensional electronic structure, Ni(4OPr) uniquely exhibits distinct intermolecular interactions for hole (HOMO-to-HOMO; HOMO = highest occupied molecular orbital) and electron (LUMO-to-LUMO; LUMO = lowest unoccupied molecular orbital) transport. Crucially, this leads to highly anisotropic hole transport pathways, while electron pathways are remarkably isotropic, demonstrating a stark contrast in their transport anisotropies. Leveraging the high crystallinity, grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) determined in-plane molecular orientation. This enabled experimental verification of distinct anisotropic hole and electron transport, directly governed by orbital-specific intermolecular interactions, in an ambipolar molecular semiconductor. Our findings, demonstrating coexisting yet distinct anisotropic transport properties for both carriers within a single component, significantly advance the understanding of ambipolar molecular semiconductors and broaden their scope for future device applications.

0403電子応用
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました