世界首次用有机半导体证实了“绝缘体-金属转移” - -实现将电荷封闭在仅有1分子厚度的有机二维霍尔气体-
世界首次用有机半导体证实了“绝缘体-金属转移”
- -实现将电荷封闭在仅有1分子厚度的有机二维霍尔气体-
发表的要点
如果向无杂质的绝缘性固体物质高密度地注入电荷，电荷会从绝缘体转移到金属。 但是，有机半导体的“绝缘体-金属转移(注1 )”在20多年间没有被实验证实。 在本研究小组开发的只有1分子厚度的有机半导体单晶薄膜中，通过高密度注入电荷，形成了二维霍尔气体(注2 )状态，成功地在世界上首次观测到了有机半导体的绝缘体-金属转变。 根据有机半导体绝缘体—金属转变的实证，除了电子相变的基础研究外，还期待着加速在高速电子器件和量子电子学方面的应用。
发表概要
东京大学研究生院新领域创建科学研究科、该合作研究机构材料创新研究中心、产业技术综合研究所产综研东大尖端操作数测量技术开放创新实验室(注3 )、物质材料研究机构国际纳米技术研究基地( WPI-MANA )的联合研究小组， 通过向纯度极高且无缺陷的有机半导体单晶的1分子层(厚度4 nm )高密度注入载流子，形成二维霍尔气体，进而每4分子产生相当于1电荷的高密度空穴，成功地在世界上进行了首次的绝缘体-金属转变。 由于此次使用的有机半导体薄膜是利用批量生产性和成本优良的印刷工艺制作的，因此，能够更简便地实现二维电子系统，除了电子相变的基础研究外，还期待着加速在高速电子器件和量子电子器件中的应用研究。 本研究成果将刊登在英国科学杂志《Nature Materials》2021年9月6日版上。 本研究由日本学术振兴会( JSPS )科学研究费补助金“单晶有机半导体中电子传导的巨大应力应变效应和柔性机械电子( JP18J21908 )”(研究者代表:竹谷纯一)以及国立研究开发法人科学技术振兴机构( JST )创开发的研究支援事业“
发表内容
[研究背景] 已知通过向无杂质的绝缘性固体物质高密度地注入电子和空穴，从而从不导电的绝缘体转变为导电的金属。 这种“绝缘体-金属转变”是固体物质中的电子相变，人们进行了长期而深入的研究。 关于具有半导体性质的有机半导体晶体，20年来也进行了绝缘体-金属转变的研究，但未被实验证实。 这是因为难以制造无缺陷的极高纯度的有机半导体薄膜。 另外，有机半导体的晶体由只有分子间力的弱相互作用构成，所以不易受外界干扰，也难以高密度注入电荷。 [研究的内容] 本研究小组迄今为止，已经开发了通过印刷工艺制作厚度为几分子层的有机半导体单晶薄膜的方法/技术(注4 )。 本方法得到的有机半导体C8-DNBDT薄膜表面没有一点缺陷，薄膜中的分子层数也被精密控制(图1 )，因此认为是证实绝缘体-金属转变的最佳薄膜。 用这样高质量的薄膜表面，制作了双电层晶体管结构( EDLT :注5 ) (图1 )。 EDLT是将普通场效应晶体管的绝缘体层置换为离子液体(图1中的EMIM:TFSI )的产品，可以用小电压高密度地注入电荷。 此次，利用EDLT在C8-DNBDT中诱发出相当于每4分子1电荷的高密度空穴，在260 K下得到了17 kΩ左右的低薄膜电阻( Rsheet )。 这与使用一般场效应晶体管的情况相比是低1位数左右的值，与作为绝缘体-金属转变指标的量化电阻( 25.8 kΩ:注6 )相比也是足够小的值。 由于实现了高密度的载流子注入，C8-DNBDT薄膜的薄膜电阻呈现出单调下降到10 K左右的低温的金属状态特有的温度依赖性，世界上首次表明了在有机半导体晶体中也实现了金属状态(图2 )。 另外，由Hall效应测量(注7 )得到的载流子迁移率(注8 )的温度依赖性与二维电子系统的标准模型一致，表明本系统中形成了电荷被1分子层厚度封闭的二维霍尔气体。 意义、课题、展望 二维电子气体及二维霍尔气体一般在精密控制了原子层的无机材料的界面上实现。 与此相反，这次得到的有机二维霍尔气体被证实可以在自发形成集合体的有机半导体的表面简单地实现。 另外，还发现有机二维霍尔气体的电阻与无机材料相比是同等程度的。 除了有机半导体中电子相变的基础研究外，还期待着加速在高速电子器件和量子电子器件中的应用。
[图1.(a ) C8-DNBDT的结构式。 1分子由带有派共轭电子系统的骨架和两端的辛基构成。 ( b )左侧是使用C8-DNBDT单晶的双电层晶体管( EDLT )的概略图。 右边是离子液体和C8-DNBDT界面的示意图。 半导体表面堆积的离子液体的阴离子和空穴载流子诱发的载流子传导层( C8-DNBDT的派共轭体系骨架)之间存在由沿着晶体结构排列的辛基构成的绝缘层，起到了物理隔离阴离子和空穴的壁的作用。 PEN :聚萘二甲酸乙二醇酯、EMIM :构成离子液体的典型阳离子、TFSI :构成离子液体的典型阴离子。 DNBDT :本研究小组开发的具有异质并苯骨架的p型有机半导体的核心。
图2 .左图为各栅极电压VG下薄膜电阻Rsheet的温度t依赖性。 nHall，180 K表示载流子密度。 黑色虚线表示量子化电阻h/e2(~25.8 kΩ)。 右上图是制作的器件的显微图像。 右图为电子跨越C8-DNBDT数分子，向二维分子面扩展的状态。 在多个样品( Sample1、Sample2)中，通过高密度注入电荷证实了绝缘体-金属转变。 在Sample2中，得到了最小的薄膜电阻值2 kΩ。
发表杂志
杂志名称:“Nature Materials”(在线版: 9月6日) 论文标题:Two-dimensional hole gas in organic semiconductors作者: Naotaka Kasuya、Junto Tsurumi、Toshihiro Okamoto、Shun Watanabe*、and Jun Takeya* DOI编号: 10.1038/s41563-021-01074-4 摘要网址: https://doi.org/10.1038/s 41563-021-01074-4
用语解说 (注1 )绝缘体-金属转移 电子状态从绝缘体变化到金属。 一般是由电子密度、压力、温度、外场强度等参数的变化引起的。 根据固体物理的标准理论，人们预想如果是优质的有机半导体单晶，就会发生绝缘体-金属的转移。
(注2 )二维霍尔气体 半导体和绝缘体界面诱发的空穴载流子呈二维扩展分布的状态。 由于半导体的费米能级(空穴拥有的最大能量的标准)位于半导体的能带内部，因此出现了金属输送现象。 利用空穴(空穴)的相对物电子的二维电子气在应用于高电子迁移率晶体管等的同时，还观测到了量子霍尔效应等各种物理现象。
(注3 )产综研东大前端操作数测量技术开放创新实验室操作数OIL的标志图像 平成28年6月1日，设置在东大柏校区内的产综研和东大的研究据点。 结合相互的系列技术，通过构建产学官网，加强“桥梁”的目的基础研究，利用尖端操作数测量技术，进行生物功能性材料、新材料、创新器件等产业化实用化的研究开发。
(注4 ) S. Watanabe，J. Takeya，et al .、 科学高级2018 HTP://WWW.k.u-Tokyo.AC.JP /信息/条目/ 22 _条目625 / 2019年国际报告:// WWW.k.u-Tokyo.AC.JP /信息/条目/ 22 _条目777/[返回参考来源] (注5 )双电荷层晶体管( EDLT ) 是使用离子液体作为绝缘体(电介质)的场效应晶体管的一种。 在EDLT中，由于利用离子液体在半导体表面形成的厚度1 nm左右的双电层，因此能够诱发密度比采用金属/固体电介质/半导体三层结构的普通场效应晶体管高的载流子。
(注6 )量化电阻 用普朗克常数h和像素电荷e作为h/e2给出的电阻值。 众所周知，它是各种电子相变现象的临界值。
(注7 )霍尔效应 在固体试料中流动的带电粒子受到磁场引起的洛伦兹力，在电流和磁场垂直的方向上产生电动势的现象。 可以同时决定电荷载流子的密度和迁移率。
(注8 )迁移率 表示电子在固体物质中容易移动的物理量。 金属中电子的迁移率随着温度的降低而增加。 已知二维气体中的迁移率在低温下受杂质散射的影响而饱和。