水を活用した有機半導体の精密ドーピング技術を開発：研究開発の最前線

物質・材料研究機構は、東京大学、東京理科大学と共同で、特殊な設備を使わずに水溶液中で有機半導体を精密にドーピングする技術を開発した。フレキシブルデバイスの産業応用の加速に貢献する。

[MONOist]

　物質・材料研究機構（NIMS）は2023年10月18日、東京大学、東京理科大学と共同で、真空や窒素雰囲気を利用する特殊な設備を使わずに、水溶液中で有機半導体を精密にドーピングする技術を開発したと発表した。フレキシブルデバイスの産業応用の加速に貢献する。

　同技術は、水溶液中におけるベンゾキノンとヒドロキノンの酸化還元反応を用いた化学ドーピング技術だ。この反応は、光合成の電子伝達系などで使われている仕組みと同じように、pHで表現される酸性度によって調節される。

　この仕組みを用いてベンゾキノン、ヒドロキノンとともに、有機半導体薄膜を疎水性陰イオンの水溶液に入れると化学ドーピングが起こった。ドーピングレベルは水溶液のpHによって変化し、電気伝導度は、約5桁に及ぶ広範な範囲で正確に一貫してコントロールされた。

開発した手法の機構およびpHによる有機半導体薄膜のドーピング量制御［クリックで拡大］ 出所：物質・材料研究機構

　半導体デバイスを製造するにはドーピング処理が不可避であり、通常、有機半導体の化学ドーピングには酸化還元試薬が利用される。しかし、効果の高い酸化還元試薬ほど水や酸素と反応しやすいことから、真空中や窒素雰囲気で試薬を使う特殊な設備が必要だった。加えて、特殊な設備を活用したとしてもドーピング量の精度や再現性が低く、有機半導体を産業に応用する際の障壁になっていた。

　有機半導体は柔軟かつ軽量な材料で、インクジェットなど低コストの印刷プロセスに適している。同技術の活用によって、フィルム状のセンサーや電子回路、ディスプレイ、太陽電池などフレキシブルデバイスの産業応用を加速させる可能性がある。また、研究チームは同技術を使ったフィルム型pHセンサーの原理も実証しており、医療やバイオセンシング用途への展開も期待される。

⇒その他の「研究開発の最前線」の記事はこちら