【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.16】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24UT0171

利用課題名 / Title

有機半導体・有機強誘電体薄膜の構造解析

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）次世代バイオマテリアル/Next-generation biomaterials

キーワード / Keywords

ウエアラブルデバイス/ Wearable device,X線回折/ X-ray diffraction,エレクトロデバイス/ Electronic device

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

二階堂 圭

所属名 / Affiliation

東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

宮本 樹,黒田 清太

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-202：高輝度In-plane型X線回折装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

有機半導体は溶剤に溶解することから塗布プロセスなどの低コストな手法による電子デバイスの作製が可能となっている。一方、有機半導体の結晶構造は有機トランジスタなどの電子デバイスの性能を決定づける要因であるため、デバイスの高性能化に向けた作製手法の最適化に当たっては製膜プロセスに応じて発現する結晶構造を同定し、電子物性と結びつけることが不可欠である。その研究の一環として、今回われわれは溶液プロセスによって作製した有機半導体2-octyl-benzothieno[3,2-b]naphtho[2,3-b]thiophene（2-C₈-BTNT）[1]の多結晶薄膜に対し、熱アニール処理に伴う結晶構造変化を観測するため、東京大学の設備を利用し、薄膜X線回折測定を行った。

実験 / Experimental

有機半導体2-C₈-BTNTをアニソール中に0.4質量パーセント濃度で溶解させた溶液を用い、室温下でのスピンコート法（1000 rpm, 6秒）によってのシリコン基板（膜厚100 nmのシリコン熱酸化膜付き）上に2-C₈-BTNTの多結晶薄膜を作製した。作製した薄膜結晶に対し、熱処理を施さない場合と、成膜後に120 ºCで10分間加熱処理を行ったものについて、高輝度In-plane型X線回折装置（UT-202）を用いた薄膜X線回折測定（2θ/θスキャン） により、その結晶構造を比較した。

結果と考察 / Results and Discussion

図１はスピンコート法によって作製した2-C₈-BTNTの多結晶薄膜について、成膜後に熱処理を施さなかった場合と、成膜後に120 ºCで10分間加熱処理を行った場合についての、X線回折の結果を示す[2]。この結果から基板に平行な格子面に由来したブラッグ回折が確認できており、成膜直後の薄膜はおおむね分子の長さと対応する約2.3 nm程度の積層周期を持った層状結晶構造を示していることが分かった。一方、成膜後に120 ºCで10分間加熱処理を施した場合については、その２倍程度となる約4.5 nmの積層周期を持った結晶構造を示すことが明らかになった。これらの結果から、加熱処理によって多結晶膜内の結晶構造が変化することが明らかになった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図１. 有機半導体2-C₈-BTNTの多結晶薄膜に対する薄膜X線回折（2θ/θスキャン）の測定結果[2]。上段の赤線はスピンコート成膜直後の薄膜の場合、下段の黒線は成膜後に120 ºCで10分間加熱処理を施した場合の結果を示す。アスタリスクは薄膜結晶由来のブラッグピークの位置を示す。

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

[1] S. Inoue et al., Chem. Sci. 11, 1493 (2020).
[2] R. Miyata, et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 16, 39701 (2024).

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Ryo Miyata, Friction Force Mapping of Molecular Ordering and Mesoscopic Phase Transformations in Layered-Crystalline Organic Semiconductor Films, ACS Applied Materials & Interfaces, 16, 39701-39707(2024).
   DOI: 10.1021/acsami.4c05169
   
2. Kiyoshi Nikaido, Emergence of mixing-induced polymorphic phase with higher mobility in alkylated layered organic semiconductors, Physical Review Materials, 8, (2024).
   DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.115601
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 二階堂圭，黒田清太，正力健太郎，高橋陽太郎，井上悟，長谷川達生，“分子混合による極性構造制御と圧電性有機半導体のひずみゲージ特性”，第85回応用物理学会 秋季学術講演会，18p-B6-3，新潟県新潟市，2024年9月（口頭発表）
2. 黒田清太，二階堂圭，正力健太郎，高橋陽太郎，井上悟，長谷川達生，“分子混合による層状有機半導体の極性結晶構造の発現と制御”，第85回応用物理学会 秋季学術講演会，18a-B6-7，新潟県新潟市，2024年9月（口頭発表）
3. 宮田稜，井上悟，二階堂圭，中嶋健，長谷川 達生，“摩擦力顕微鏡による多結晶有機半導体膜内の秩序化挙動の可視化”，第85回応用物理学会 秋季学術講演会，18p-B6-1，新潟県新潟市，2024年9月（口頭発表）

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件