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電気伝導性と応答速度を両立する新しいゲル状電気化学トランジスタ ~フレキシブル電子デバイスへの応用に期待~

 筑波大学は2020年12月15日,従来のフレキシブルデバイス用トランジスタより大電流が流せ,高速スイッチングが可能な,ゲル状材料を用いた新しい電気化学トランジスタを開発した,と発表した.本研究は,同大学数理物質系 山本 洋平教授らの研究グループにおいて,ドイツ学術交流会(DAAD)および,独立行政法人日本学術振興会(JSPS)などからの研究助成を受けて行われ,成果は,ハイデルベルグ大学(ドイツ)の研究者と連名でAdvanced Materials誌に発表された(注).

 近年フレキシブルな電子デバイスの開発が盛んである.それらにはシリコンのような硬い無機材料に代わり柔らかい有機材料を用いたトランジスタが使われるが,従来の有機トランジスタ(OFET)は電流の許容量が少ないという課題があった.これを解決するべく有機電気化学トランジスタ(OECT)が登場したが,応答速度が遅いという問題がある.従来のOFETのチャネルでは,ゲートに電圧を印加してオン状態にしても実際に電流が流れる部分の厚みは数nm程度で,残りは絶縁体のままであった.それに対しOECTでは,ゲートからイオンが注入されてチャネルの厚み全体が導電層となり大きな電流が流せるが,イオン輸送および電荷注入に時間を要するため,電流のオン/オフ切り替え応答速度もミリ秒から数秒と非常に遅かった.

 本研究において研究グループは,太さ100nm以下の有機半導体ナノファイバーでできたネットワーク中に,その100倍の重量比のイオン液体を取り込んだゼリー状材料「πイオンゲル」を用いたトランジスタを開発した.このゲルを電極(ソースとドレイン)上に乗せ,上部に針状のゲートを設置すると電気化学トランジスタ「PIGT」(π-ion gel transistor)として作用する.ゲートに電圧がかからないと,有機半導体ファイバーは電荷が与えられないため絶縁体状態である.一方,ゲートに負電圧がかかると,ゲル内部のイオン液体が高速で応答して各電極に電気二重層が形成され,これを通して注入された電荷により半導体ファイバーは導電化される.注入された電荷は,過剰に存在する負イオンで安定化され,半導体ファイバー全体,すなわちゲル全体が導電性となる.実験に用いた有機半導体はpoly(p-phenylene-ethynylene)(PPE),イオン液体はtributyl-methyl-ammonium-bis(tri-fluoromethane-sulfonyl)imideである.試作したPIGTのサイズは,幅4mm,長さ40μm,厚さ50~180nmで,閾値電圧-3.3V,ゲート電圧-6Vにおけるドレイン電流139μA,相互コンダクタンス133μS,電荷移動度4.2×10-2cm2V-1s-1,オン/オフ比3.7×104の性能が得られた.これは,OFETに比べると閾値電圧は1/10で相互コンダクタンスは300倍であり,無機トランジスタに匹敵するという.さらに,PIGTの半導体ファイバーとイオン液体の界面は,多くのOECTで採用されている積層構造界面より遥かに大きいため,応答速度も従来の1/50以下の20μsが得られた.

 PIGTは安価で量産化に適しており,使い捨てのフレキシブルセンサーなどへ利用が期待され,今後は,柔軟性・電気伝導性・耐久性を備えた有機電子デバイスを目指して材料の改良を進めるという.

(注)Soh Kushida, Emanuel Smarsly, Kyota Yoshinaga, Irene Wacker, Yohei Yamamoto, Rasmus R. Schröder, and Uwe H. F. Bunz, "Fast Response Organic Supramolecular Transistors Utilizing In-situ π-ion Gels", Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202006061; First published: 11 December 2020