プラスチック電線の"超微細連結"に成功

＜研究の背景＞

　導電性高分子*1とは、2000年にノーベル化学賞を受賞した白川英樹博士らが開発した"電気を流すプラスチック"と言われるもので、通常は幅約0.3ナノメートル*2、長さ数十ナノメートルの１本の極微細な分子電線"プラスチック電線"（図１）が束になった構成となっている。この中を電子が高速に移動するためプラスチックでありながら電気を通しやすい性質を持つ。このため将来、材料の加工や利用サイズをナノメートルレベルに縮小できれば、携帯性に富む小型・軽量・高性能なディスプレイやトランジスタの実現が可能になると期待されてきた。
　導電性高分子をこれらのデバイスとして利用するためには、この材料を電子回路に必要な基板上にナノメートルレベルで任意に、かつ大面積に配置し、電気的性質を操ることが必要となる。特に、異なる電気的性質を持つ導電性高分子を基板上で自在に接合して配置することが可能になれば、希望する極小のデバイスを作る上での大きな一歩となる。
　しかしながら、導電性高分子は溶液に溶けにくく（不溶性）、また溶けてもそれ自身が集まりやすい（会合性）ため、これまでの技術では導電性高分子を分子レベルで基板上に配列したり、電気的性質を制御することは極めて困難とされ、同一原料によるプラスチック電線を１分子レベルで並べるところまでが技術的限界であった。中でも異なる電気的性質を持つ複数の分子を基板上に１分子レベルで並べ、連結させプラスチック電線を作ることは、反応性や拡散などの問題から困難とされていた。

＜成果の内容＞

　今回、坂口助教授らは電気化学的方法（液中で電気を流しながら材料を基板上に堆積させるメッキ技術）を用いることでこれらの困難を克服し、電気的性質の異なる２種類の分子を1分子レベルで任意に並べ・連結させて新たなプラスチック電線を作る新規技術を開発した（多段階電気化学エピタキシャル重合*3：図２）。
　具体的には、ヨウ素で表面処理した金属基板にある種のチオフェン*4（Aと呼ぶ）と呼ばれる分子原料（モノマー）を含んだ電解質溶液中で電圧パルスを与えて、導電性高分子を基板上に１分子ずつ一方向につなぎ合わせ（成長させ）プラスチック電線を得た。更にこのプラスチック電線の付いた基板を別種のチオフェン（Bと呼ぶ）を含む電解質溶液中に移し、電圧パルスを与えると化学反応（重合反応）が起こり、基板上で２種類の異なる分子（AとB）を連結させることに成功した（図３：三連結プラスチック電線を示す）。更に原料溶液の種類を変えることにより、AB型、ABA型、ABAB型など様々な型で異種分子を連結できることが明らかとなった。この結果は、異なる電気的性質を持つ分子を任意に連結させて従来にない新しい性質を持つ有機分子からなる"極微小電子部品"の作成が可能であることを示した世界初の成果である。

＜今後の展開＞

　今回の研究結果は、基板上に一方向に並べた異種類の分子電線"プラスチック電線"を１分子レベルで"接続"できることを示した世界初の成果であり、ナノスケール次世代高機能電子デバイスの開発に大きなインパクトを与えることが期待される。
　なかでも、分子からなる整流素子（電子を一方向に流す電子部品）や発光ダイオード（表示素子）への応用が期待されるほか、各種電子部品の分子レベルでの回路設計が現実のものとなる可能性を秘めている。