―電気を流さないはずの液晶が半導体に―

液晶ディスプレイに使われている液晶材料は誘電体であり、電気を流しません。しかし、分子構に適切な構造（π電子共役系）を組み込むと、光導電性や電荷輸送性などの、半導体としての性質を示すようになります。
我々のグループは90年代半ばより液晶に着目し、世界に先駆けて液晶相での電子伝導を明らかにし、液晶相での電子伝導のメカニズムを解明してきました。また、有機合成の技術を駆使して数々の液晶性半導体を合成しました。

　　
　半導体を実際の電子デバイスに応用するには、均一な薄膜を安価に製造できることが必要条件となる。シリコンなどの無機半導体は薄膜作製に高コストの真空プロセスを必要とする。したがって、溶液プロセスで高品位の薄膜を安価に作製できる材料が必要である。有機半導体の中でも、高分子材料やアモルファス薄膜を形成するトリフェニルアミン誘導体は溶液プロセスによる製膜が可能である。しかし、高分子材料を含む有機アモルファス半導体は一般にキャリア移動度が低く、大電流で駆動するデバイスや高速応答を必要とするデバイスには不利である。^7）近年キャリア移動度がアモルファスシリコン並みに高く、薄膜トランジスターへの応用が検討されているペンタセンなどの多結晶薄膜は、高品位の薄膜を作製するためには、真空プロセスによる厳密な結晶成長の制御を必要としており、コスト・再現性の面で課題を残している。
　それに対して、液晶材料は、通常アルキル鎖を複数有するため、有機溶媒に対する溶解性が高く、溶液プロセスに適しており、生産コストの低減が可能である。また、多結晶薄膜では結晶粒間の粒界が電気伝導を阻害するため、粒界の制御がデバイスの特性向上に本質的であるが、液晶材料は液体的な流動性を持つため、構造欠陥の形成が抑制される可能性がある。それに加えて、分子配向性や層状構造が機能発現の場になるため、高次の光電子機能を持った材料になることが期待される。

Fig. 1　当研究グループによって開発された主な液晶性半導体

Fig. 2　有機半導体中での液晶性半導体の位置づけ

液晶相での電荷輸送機構

　有機半導体においては、分子間の相互作用が弱いため、通常の無機の半導体に比べると、バンド幅が狭く、多くの場合は、キャリアは分子状に局在し、ホッピング伝導と称される伝導形態をとる。分子性結晶においては、いわゆる、狭いバンド伝導として、バンド伝導に基づく解析がなされている。それに対して、アモルファス有機半導体では、エネルギー的・空間的にディスオーダーしたエネルギー準位間をキャリアがホッピングする、ディスオーダーモデルがH.Basslerらによって提案されている。
　液晶相では、分子性結晶にみられるような長距離の分子配向秩序が存在する一方、液体的な分子運動の影響やアモルファス的なデ
ィスオーダーが存在し、それらの液晶相特有の要因が電荷輸送にどのような影響を与えるかに興味が持たれる。
　このような電荷輸送のメカニズムや特徴を明らかにするには、広い温度範囲にわたってキャリア移動度の電界強度依存性を測定する必要がある。しかし、通常の液晶材料、特に、大きなπ電子共役系を含む液晶材料は、液晶相を示す温度領域が十分に広くないため、電荷輸送特性に関する詳細な議論を行うことができなかった。
　当研究グループでは、室温を含む広い温度領域で高次のスメクティック相を示す、非対称に置換されたオリゴチオフェン誘導体の開発に成功した（Fig. 3)。本アルキニルターチオフェン誘導体は室温でスメクティックE相を示し、‐100℃に冷却しても結晶化しない。しかも、バルクにおいて、ホールと電子を輸送する。

Fig. 3　広い温度領域にわたって高次のスメクティック相を示す液晶性半導体

　これらの化合物を用いてキャリア移動度の電界強度・温度依存性を検討したところ、液晶相での電荷輸送機構が、有機アモルファス半導体と同様に、エネルギー的に乱れた系でのホッピング伝導によって説明できることを明らかにした。

本研究成果は日本液晶学会奨励賞を受賞しました。
本研究を進めるにあたり、東京工業大学像情報工学研究施設半那純一教授（現名誉教授）より御指導を受けました。

参考文献

１．M. Funahashi and J. Hanna, Phys. Rev. Lett., 78, 2184-2187 (1997).
２．M. Funahashi and J. Hanna, Appl. Phys. Lett., 71, 602-604 (1997).
３．M. Funahashi and J. Hanna, Mol.Cryst. Liq. Cryst., 368, 303-310 (2001).
４．M. Funahashi and J. Hanna, Mol. Cryst. Liq. Crystal., 410, 529-540 (2004).
５．M. Funahashi and J. Hanna, Adv. Mater., 17, 594-598 (2005).
６．舟橋正浩、液晶、2006年10月号p.359-368
７．Masahiro Funahashi, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 458, 3-10 (2006).
８．M. Funahashi, F. Zhang, N. Tamaoki, and J. Hanna, ChemPhysChem, 9, 1465-1473 (2008).