導電性高分子への電荷注入・輸送過程のナノ構造依存性

古川一暁 Wenping Hu 中島 寛 樫村吉晃 味戸克裕 鳥光慶一
機能物質科学研究部

 有機分子は、近年、電子材料として注目され、フレキシブルディスプレーや薄膜トランジスタ応用をめざした研究開発が盛んである。一方、単一分子あるいは少数分子で構成される分子スケールデバイスは、集積化の面で有利であるだけでなく、その電荷輸送特性に分子の個性が発揮された新奇な現象の発現が期待できる。本研究では、金電極から導電性高分子への電荷注入・輸送過程を、スケールの異なるデバイスを用いて観測した。有機分子のナノ構造変化が、電荷注入・輸送過程に与える影響について報告する[1]。
 図1にデバイス構造を示す。100 nm の間隙を有するナノギャップ電極および、比較のために従来型の薄膜デバイスであるサンドイッチ電極(膜厚100 nm、電極面積 4 mm2)を採用した。有機分子には剛直なπ共役系高分子として知られるポリパラフェニレンエチニレンの誘導体(TA-PPE、図1)を用いた[2]。
 両デバイスにおいては、電圧―電流特性の温度依存性に顕著な相違が見られた。サンドイッチデバイスではよく知られたアレニウス型の温度依存性が確認された一方で、ナノギャップデバイスでは温度依存性はわずかに認められる程度であった。さらにこのナノギャップデバイスをTA-PPEの良溶媒であるテトラヒドロフランの蒸気中に長時間暴露した後には、電圧―電流特性の温度依存性はほぼ消滅した(図2)。これは、良溶媒雰囲気下ではナノギャップ内のTA-PPEが流動性をもち、そのナノ構造が変化を生じたことで説明できる。とくに、TA-PPE末端と金電極との結合の増加は、Au-S結合を介したPPEへのトンネル機構による電荷注入を優位にさせた。
 本研究の結果から、分子スケールデバイスにおいては、用いた分子の構造だけでなくその形態がデバイス動作に影響することが示された。今後、分子の形態制御を含めたデバイス作製技術を検討していく。

[1] W. P. Hu, et al., Phy. Rev. B (accepted).
[2] H. Nakashima, et al., Polym. Prepr. 44(1) (2003) 482.

図1 TA-PPEの分子構造とデバイス構造
図2 ナノギャップデバイスの 電圧―電流特性の温度依存性

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