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電気を流す分子のエレクトロニクスが未来社会を拓くCase Studies

工業・産業

自然科学研究機構 分子科学研究所(協奏分子システム研究センター)の山本 浩史教授を訪ねました。 山本先生は「分子を使った新しいエレクトロニクスの開拓」をテーマとし、有機エレクトロニクスの研究を行なわれています。
有機エレクトロニクスとは有機半導体をベースとした有機化学、物性物理、電子工学の複合学問であり、近年とても注目されている分野の一つです。この分野でどのように光学顕微鏡が使われているのか、お話を伺いました。

 

電気を流すものと流さないもの?

電気を流すもの、逆に流さないものをあげて下さいと聞かれたら、ふつう前者は「鉄、銅」などの金属、後者は「ゴム、プラスティック」など有機物を上げるでしょう。 しかし、近年多くの研究成果により良好な電導性を示す有機化合物が数多く発見されています。
導電体は金属、絶縁体は有機化合物といった常識はもはや、なりたたなくなっています。

 

有機エレクトロニクスとは

有機ELテレビが、実用化されたデバイスとしてもっとも有名です。また展示会などで見る「曲がる」「巻ける」「折りたためる」ディスプレイもそうですね。現在の半導体材料には無機物であるシリコンが主に使われていますが、それに代わるものとして注目されているのが有機エレクトロニクスです。
有機半導体はその名の通り、有機物でできた半導体で、軽くてやわらかいという特徴をもっています。それを利用することで、これまで固くて重かった電気製品を軽くてやわらかいものにすることができるわけです。無機と比べて軽量であることや、インクジェット法などの印刷プロセスを導入することで大面積で低コストな電子製品の作成が可能になること、などから柔軟な電子機器の核心的素材として世界的に関心を集めています。
有機エレクトロニクスの分野では、有機ELとトランジスタ、太陽電池がいわゆる御三家といえるでしょう。しかし、有機半導体には、物性・材料技術の両面で未解決な部分が多く、性能や信頼性の確保も困難で、応用可能性の一端が示されたに過ぎません。

 

結晶を顕微鏡で観察する

有機化合物と光学顕微鏡。イメージしづらいですが、我々は結晶成長過程や、伝導率測定のための結晶操作などで実体顕微鏡やデジタルマイクロスコープを使用しています。有機半導体を使ったこれらのデバイスの多くは、「薄膜」を利用しています。デバイスは、有機薄膜の中での電子や光のやりとりを用いて動作しているので、有機薄膜の電子・光を詳しく解析するためには、薄膜構造を知ることが必要になります。 新規有機半導体化合物を合成後、それぞれ薄膜化し、結晶構造解析や伝導率測定を行います。

結晶の成長過程をみるのに、デジタルマイクロスコープを使用して、10数時間のタイムラプス撮影をしています。結晶成長をその場で観察し、核形成と成長過程について知りたいからです。 オンラインショップで購入したDMS300はベースがスイングアームで広い作業スペースを確保でき、単結晶生成装置を下に置いて観察するのにちょうどよいこと、またタイムラプス機能のソフトウェアが追加できる拡張性がよいですね。
結晶作製後は回収した結晶の中から、良質の結晶を選択します。これには実体顕微鏡EZ4 HDでチェックします。ひびの入った結晶や内部が空洞になっている結晶では伝導性に影響がでるので避けます。結晶は1mm x 1mm角程度で、数百個の中からスクリーニングするのですが、形状観察でコントラスト・シャープさをもとにチェックするので「見え」が重要です。

 

結晶を顕微鏡で作業する

また伝導率を測定するのに、試料に電極となる銀ペーストと金のリード線を取り付ける作業も、実体顕微鏡下で行います。
銀ペーストを付ける際、基板の側面に銀ペーストが垂れると導通が起こってしまうし、結晶に金線を取り付ける間にペーストが乾いてしまってもいけない。時間と繊細さ、ノウハウの必要な作業です。これは実際に見て経験しないと習得できない作業なので、カメラ一体型の実体顕微鏡EZ4HDは有用です。
熟練したオペレーターとトレーニーがモニター上で作業を確認、共有することができますからね。論文用の写真撮影もPC不要でリモコン操作で取得できるので、簡便です。

 

 

 

 

 

無限の可能性、超伝導有機デバイス

有機物が電気を流す。そんな非常識も今や常識になりました。ほとんど有機物だけを使って、曲がるシートの上にディスプレイだって作ることができる。さらに、単なる電導体だけでなく、低温で超伝導性を示す有機化合物も発見されています。
超伝導は伝導体の電気抵抗がゼロになる現象で、その発見以来さまざまな研究が行われてきました。現在では医療用 MRIや化合物同定に使うNMR、生体磁気センサー、電圧標準などに用いられているほか、電車用の送電線やリニアモーターカーや船舶用モーターなどにおける省エネ技術にも利用されようとしています。また最近の研究では、超高速・省電力コンピューターや、高速暗号解読に有利と言われている量子コンピュータ ーなどへの応用についても注目を集めています。超伝導をより高度に利用するために、有機物に電圧を加えることで超伝導をON/OFF制御できるスイッチを開発しました。
同じような原理を使って室温で金属状態と絶縁体状態をスイッチする有機デバイスを開発し、多くのフレキシブルデバイスに応用したいと考えています。

自然科学研究機構 分子科学研究所 協奏分子システム研究センター山本 浩史 教授

幼少のころから半田ゴテ片手に、モノづくりが大好きだったという山本先生。「分子を使った新しいエレクトロニクス」と聞いて、難解で遠い世界に思っていましたが、先生のラボ訪問とお話を伺い、その高いポテンシャルとリアルな未来生活を想像でき、今後も注目したい分野の1つになりました。

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