有機半導体

島田 敏宏(化学専攻 准教授)

有機電界発光素子はいまや携帯電話の表示パネルに使われるようになり,有機半導体を用いたデバイスが新聞の経済面に登場することも多くなった。歴史的には,有機半導体の研究の草創期に化学教室の赤松研究室が大きな役割を果たしたことはよく知られている。現在,理学系研究科ではERATO中村プロジェクトや固体化学研究室などで研究が行われている。

ペンタセンをはじめとする有機半導体の特長はプロセスの容易さと構造のやわらかさとにある。プロセスに関しては,Siのような無機半導体は,デバイス作成時に原子間の共有結合を作らなければならないために超高真空装置など大型の設備が必要であるが,有機半導体は有機合成済みの安定な分子を用いるため,デバイス作成時には原子間の共有結合を作る必要がない。そのため,インクジェットプリントなど高速・簡便な方法によって素子を作ることができる。この点は,大面積の回路への応用(例:表示装置や集積センサーなど人間とのインターフェース)に適していると考えられる。構造のやわらかさは,曲げられる表示素子など,これまでにない応用に直結する重要な性質である。有機半導体は分子間の結合が弱いファンデルワールス力によるので構造に自由度が大きい。

有機半導体の欠点としては,動作速度が遅いことと酸素や水分に弱いことがあげられる。これらの欠点はいずれも構造のやわらかさと密接に関連した本質的なものであると考えられている。動作速度が遅いのは分子の空間的な位置が熱的に揺らいでいるため電荷が分子間を確率的に飛び移ることにより移動せざるを得ないためであり,Siなどにおいて電荷が結晶の周期性を反映して広がった波としてふるまうことと対比すると桁違いに遅くなることはやむを得ないと考えられる。また,酸素や水に弱いのは,熱揺らぎにより固体中に小さな分子が透過できる隙間が生じるために酸素分子や水分子が浸入し,電荷をもって持っている分子(ラジカルイオン)と化学反応するためである。現状ではこれらの問題は不可避のように見えるが,有機半導体の分野はすでに何度か大きなブレークスルーを経験しており,新しい原理に基づく高速で安定な有機半導体が登場する日は近いかもしれない。