単一の半導体材料にて正孔と電子の異なる輸送異方性を実証

～分子半導体における理論予測を実証し、次世代電子デバイス開発の新たな指針を提示～

2025（令和7）年9月4日
東京大学
横浜国立大学
東京理科大学
産業技術総合研究所
科学技術振興機構（JST）

発表のポイント

独自に開発した単一の分子半導体材料において、従来は実現できなかったキャリア特異的輸送異方性（正孔と電子がそれぞれ異なる方向に流れやすい性質）を実証。
この性質の違いが、電荷輸送を担う分子軌道の相互作用の仕方の違いに起因することを解明。
電荷の種類に応じて輸送特性を自在に制御できる高機能分子半導体の設計に道を開き、単一材料でキャリアごとの流路方向を調節可能とすることで、次世代電子デバイス開発の加速に貢献。

東京大学 大学院新領域創成科学研究科の伊藤 雅聡 大学院生（研究当時）、同大学 物性研究所の藤野 智子 助教（研究当時、現：物性研究所 リサーチフェロー、横浜国立大学 准教授、科学技術振興機構 さきがけ研究者）、森 初果 教授、産業技術総合研究所の東野 寿樹 主任研究員、東京理科大学の菱田 真史 准教授の研究チームは、独自に開発した単一のアンバイポーラー（両極性）分子半導体において、正の電荷を持つ「正孔」と負の電荷を持つ「電子」がそれぞれ全く異なる方向に流れやすい性質（キャリア特異的輸送異方性）を持つことを見いだしました。これは、単一分子半導体材料を用いた有機電界効果トランジスター（OFET：Organic Field-Effect Transistor）における初めての実証です。
研究チームは、独自に開発した空気中で安定なニッケルジチオレン化合物「Ni(4OPr)」を用いてOFET素子を作製し、その特性を解析しました。その結果、まるで正孔は「一方通行路」を、電子は「全方向通行可能な広場」を進むかのように、両者が全く異なる「交通ルール」に従うことを実験的に証明しました。そして、この異方性の起源が、分子間での軌道の相互作用の違いにあることを明らかにしました。この発見は、正孔と電子の両方を流せるアンバイポーラー分子半導体における電荷輸送の理解を飛躍的に深めるものです。
本成果は、分子軌道レベルの相互作用の違いが、デバイスとしてのマクロな特性に直接現れることを明確に示したものです。従来の単一材料では実現されなかったキャリアごとの流路方向制御を可能とする、高性能な電子デバイス開発に向けた新たな材料設計指針を提示します。
本成果は2025年9月3日付（現地時間）で「Angewandte Chemie International Edition」に掲載されました。
本研究は、日本学術振興会 科学研究費（JP20H05206、JP22H04523、JP25K01841、JP25K22239、JP19H05717、JP22H00106、JP24KJ0630)、学術変革B「マルチ層配列」（JP25H01403、JP25H01405）、Core-to-Coreプログラム（JPJSCCA20240001）、科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 さきがけ（JPMJPR22Q8）、次世代研究者挑戦的研究プログラム（SPRING）（JPMJSP2108）の支援により実施されました。

＜プレスリリース資料＞

本文　PDF（558KB）

＜論文タイトル＞

“Distinct Hole and Electron Transport Anisotropy in Ambipolar Nickel Dithiolene-based Semiconductor”

DOI：10.1002/anie.202512609

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