構造分子科学専攻山本 研究室
分子を使った新しいエレクトロニクスを開拓する
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有機エレクトロニクス、有機FET、強相関電子系、超伝導、モット絶縁体、モット転移、超分子、ナノワイヤー、ハロゲン結合、分子素子、３次元ナノ配線 |
新しいエレクトロニクスの担い手としてπ電子が注目を集めています。軽くて曲げられるトランジスタとして最近盛んに研究されている有機トランジスタ（Organic Field Effect Transistor = OFET）や、２０１０年にノーベル賞を受賞したグラフェンなどがその代表例と言えるでしょう。我々の研究室では、π電子による新しいエレクトロニクスの創成を目指して、これまでとは違った独創的なデバイスの提案を、化学の力で実現していこうと研究に取り組んでいます。具体的には、以下の２つのテーマについて研究を行っています。
（１）π電子エレクトロニクスの中でも非常に特異な性質をもつ、「強相関π電子」を使ったトランジスタの開発に取り組んでいます。強相関電子系というのは、電子間のクーロン相互作用が強く働き、通常の伝導電子とは異なった振る舞いをする電子系のことで、ほんの少し電子数を増やしたり減らしたりするだけで、急に電子が固まって絶縁体になったり、急に流れだして金属になったりします。（不思議なことに、YBa2Cu3O7─d などの銅酸化物高温超伝導体の伝導電子はこの仲間に属することが分かっています。）そしてFET（電界効果トランジスター）構造の仕組みを利用して有機物中の「強相関電子」の数を変化させてやると、上に述べたような現象が実際に起こって、絶縁体を金属や超伝導にスイッチ（相転移）させることが出来ます。我々は世界で初めて、こうした相転移をOFET界面において観測することに成功しました（左図、中央図）。また最近は、超伝導状態のON/OFFが電界効果でスイッチ出来るような有機デバイスを開発し、その詳細について調べています。
（２）近年、半導体微細加工技術が進展し、回路のハーフピッチが20 nmに近付いてきました。あともう少し回路の微細化が進むと、結晶中の分子間ピッチと同程度のサイズでパターニングが出来るようになります。回路がここまで小さくなると、分子１つを電子素子と見なす「分子素子」の考え方が有効になってきます。分子の形は有機合成によって非常に微細に制御できる上に、一度に1023個程度の大量の素子合成ができるため、分子素子が実現すれば安価で大容量のメモリが作製できる可能性があります。
しかしながら、こうした分子素子に対しては配列・配線技術が未だに確立していません。そこでこれに応える一つの解として、結晶性のナノワイヤー配線に取り組んでいます。結晶中では、同じ構造パターンが３次元的に繰り返していますから、分子素子とナノワイヤーを同時に結晶化出来れば、結晶そのものが大規模のメモリーとなる仕掛けです。これまでに伝導性のワイヤーを超分子で絶縁被覆した結晶構造（右図）の構築と、その物性評価に成功しました。今後は３次元配線のための重要なステップとして、直交ナノワイヤーによるcross-bar構造の構築に取り組んでいきます。
左図：有機モットＦＥＴの顕微鏡写真
中央図：有機モットＦＥＴにゲートをかけたときの界面キャリア密度変化。静電界によって誘起されたキャリアよりもはるかに多数のキャリアが突然動き出す様子を表している。
右図：超分子ナノワイヤーのＣＰＫモデルによる構造図。中央の黄色い分子が伝導性の１次元分子鎖を形成し、その周囲を緑色の絶縁分子が被覆している。
参考文献
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H. M. Yamamoto, M. Nakano, M. Suda, Y. Iwasa, M. Kawasaki and R. Kato
“A strained organic field-effect transistor with a gate-tunable superconducting channel” Nature Commun. 4, 2379/1–2379/7 (2013). -
Y. Kawasugi, H. M. Yamamoto, N. Tajima, T. Fukunaga, K. Tsukagoshi, and R. Kato
“Field-Induced Carrier Delocalization in the Strain-Induced Mott Insulating State of an Organic Superconductor” Phys. Rev. Lett., 103(11), 116801/1-116801/4 (2009). -
H. M. Yamamoto, Y. Kosaka, R. Maeda, J. Yamaura, A. Nakao, T. Nakamura, and R. Kato
“Supramolecular Insulating Networks Sheathing Conducting Nanowires Based on Organic Radical Cations” ACS Nano, 2(1), 143-155 (2008).
