研究室の教育・研究の概要

・研究のめざすところ
'Electronics on Any Surface!'これが我々の研究のキャッチフレーズです．有機半導体材料などを活用して，社会の持続可能性を考慮しつつ，衣食住全般にこれまでにないエレクトロニクスの機能を付加してゆくことを目指しています．有機材料は半導体としても様々な長所を持っています．例えば，低分子固体材料は閉殻構造である分子を基本ユニットとしていることから，構造欠陥があってもフェルミレベル付近の電子帯構造はきれいなままです．さらには，分子間力や強相関系のオンサイトクーロンエネルギーなど数〜数十meVの弱い相互作用を多くもつことから，外部からの刺激に敏感に反応させることも可能です．様々な固体物理・材料化学・電子工学的知識を総動員して，基礎から応用まで幅広く研究を進めています．

・教育方針について
一人一人の興味と適性に応じて，物質に関わる基礎的な研究から実際に回路動作するデバイスまで幅広いテーマ設定を行います．また，国内外の研究機関との共同研究や国際会議での発表などを通じて，研究者としての自主性と一流の研究マインドを養います．科学に関する幅広い知識と産業応用に向けての展望を併せ持ち，企業でも大学でも活躍できる研究者を養成することを目指します．

研究テーマ

・世界唯一となる評価法の開発とそれを用いた機能性有機材料などの物性研究
試料表面の電位分布をnmスケールの空間分解能で精密測定できる「原子間力顕微鏡ポテンショメトリ装置」（図1），半導体／絶縁体界面のトラップ準位密度分布などを精密測定できる「分子線蒸着-電界効果熱刺激電流測定装置」，極めて高抵抗な薄膜試料までゼーベック係数と導電率が測定可能な「分子線蒸着-熱電特性評価装置」など，世界唯一の様々な評価装置を開発しています．これら評価法とシンクロトロン放射光を用いた構造解析などを組み合わせ，有機薄膜トランジスタの定番材料であるペンタセン薄膜における階層的な結晶学的構造とそれに対応するキャリア輸送バンド端の構造を明らかにしてきました（図2）．

・フレキシブル熱電変換デバイス実現に向けた有機熱電変換材料の探索
熱電変換素子は，Electronics on Any Surface!を実現するための予備的電源や温度センサマトリクスなどに用いることができます．当研究室では，前述の独自評価装置を用いて様々な有機材料の熱電特性を評価しており，どのような材料が良いのかを知るための学問的基盤を整備するとともに，有望な材料の探索を行っています．

・フレキシブルTHzイメージングデバイスの基礎的研究
THzイメージングデバイスはセキュリティ分野などにおける貢献が期待されています．当研究室ではフレキシブルTHzイメージングデバイスを創出するために，有機FET中のキャリアとTHz波の相互作用（図3）を利用する新しいデバイスの基礎研究を行っています．（図4）

・ナノ構造を自己組織的に組み込んだ高出力縦型有機トランジスタの開発
Electronics on Any Surface!における表示素子駆動や音声出力のためには，それなりに大きな出力電流が必要です．当研究室では，プラスチックフィルム上にも形成可能な高出力有機トランジスタを研究しています．コロイダルリソグラフィー法を用い，LSIスケールの微細三次元構造（図5）を自己組織的に作り込んだ縦型トランジスタを開発しています．無封止状態でも大気中で長時間安定動作することが実証されており，ボイスコイルスピーカーを駆動して音楽を出力するデモンストレーション（図6）などにも成功しています．

研究概要を説明する図

最近の研究業績

1. R. Matsubara, M. Sakai, K. Kudo, N. Yoshimoto, I. Hirosawa, and M. Nakamura, Crystal Order in Pentacene Thin Films Grown on SiO₂ and Its Influence on Electronic Band Structure, Org. Electron. 12, 195 (2011).
2. S. Yogev, R. Matsubara, M. Nakamura, Y. Rosenwaks, Local Charge Accumulation and Trapping in Grain Boundaries of Pentacene Thin Film Transistors, Org. Electron. 11, 1729 (2010).
3. N. Ohashi, H. Tomii, M. Sakai, K. Kudo, and M. Nakamura, Anisotropy of Electrical Conductivity in a Pentacene Crystal Grain on SiO₂ Evaluated by Atomic-Force-Microscope Potentiometry and Electrostatic Simulation, Appl. Phys. Lett. 96, 203302 (2010).
4. M. Nakamura, A. Hoshi, M. Sakai, and K. Kudo, Evaluation of Thermopower of Organic Materials toward Flexible Thermoelectric Power Generators ", Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 1197, 1197-D09-07 (2010).
5. M. Nakamura, H. Ohguri, N. Goto, H. Tomii, M.-S. Xu, T. Miyamoto, R. Matsubara, N. Ohashi, M. Sakai and K. Kudo, Extrinsic Limiting Factors of Carrier Transport in Organic Field-Effect Transistors, Appl. Phys. A 95, 73 (2009).
6. R. Matsubara, N. Ohashi, M. Sakai, K. Kudo, and M. Nakamura, Analysis of Barrier Height at Crystalline Domain Boundary and In-Domain Mobility in Pentacene Polycrystalline Films on SiO₂, Appl. Phys. Lett. 92, 242108 (2008).
7. K. Fujimoto, T. Hiroi, K. Kudo, and M. Nakamura, High-Performance, Vertical-Type Organic Transistors with Built-In Nanotriode Arrays, Adv. Mater. 19, 525 (2007).
8. M.-S. Xu, M. Nakamura, M. Sakai, and K. Kudo, High-Performance Bottom-Contact Organic Thin-Film Transistors with Controlled Molecule-Crystal/Electrode Interface", Adv. Mater. 19, 371 (2007).