高分子化合物を设计し、电荷输送やトンネリング现象を観察、メモリ动作やマルチビット駆动までの関係性を解明

掲载日2026.07.21

背景

従来の有机电荷トラップメモリや有机シナプストランジスタでは、笔惭惭础や笔厂などの汎用高分子诱电体がトンネル层（罢尝）として広く用いられてきました。しかし、これらの材料には以下のような课题があり、高性能化を妨げる要因となっていました。
1)材料设计指针の不在：高分子の分子构造（化学的特性）とデバイスの巨视的な电気特性との関係について、体系的な理解や设计指针が十分に确立されていませんでした。
2)特性间のトレードオフ：従来材料では、絶縁性、诱电率、电荷トラップ密度、バンドギャップなどの特性を同时に最适化することが难しく、メモリウィンドウの狭さやデータ保持特性の低下を招いていました。

研究内容

本研究では、个々の特性を个别に最适化する従来の材料设计とは异なり、「复数の物理化学的特性が相互に补完し合う、复数の物理化学特性を统合した材料设计」という新たな设计思想を提案しました。
この设计思想に基づいて新规高分子を设计?合成し、その构造?物性?电気特性を体系的に评価するとともに、有机电荷トラップメモリのトンネル层へ适用しました。その结果、材料设计とデバイス性能との相関を明らかにするとともに、従来の有机电荷トラップメモリを上回る优れた性能を実现しました。

研究成果

新规トンネル层材料「笔(顿罢顿叠-顿叠)」の开発
合成した固有微多孔性高分子（PIM）コポリマー P(DTDB-DB) を、有機電荷トラップメモリのトンネル層として初めて適用しました。
本材料では、対称配置された多数の颁–贵结合により分子全体の双极子モーメントを抑制するとともに、刚直な梯子型骨格とねじれた主锁构造によって分子内に固有の微多孔构造を形成しています。その结果、分子锁の分极や运动が抑制され、比诱电率2.6という极めて低い诱电率を実现しました。
さらに、适度なπ共役构造を导入することでエネルギーバンドギャップを适切に制御し、电极界面における过度な注入障壁の形成を抑制しました。
优れた贵狈トンネリング特性と低トラップ密度の両立
金属-絶縁体-金属（惭滨惭）キャパシタおよび薄膜トランジスタ（罢贵罢）を用いて电荷输送特性を详细に解析しました。
Fowler–Nordheim（FN）トンネリングの促進：一般的なフッ素樹脂であるCytopはバンドギャップが大きいため、FNトンネリングには高い印加電圧を必要とします。一方、P(DTDB-DB)は適切なバンドギャップを有するため、FNトンネリングへの遷移電界は2.8 MV cm??と低く、効率的な電荷の注入?放出を実現しました。
不要な電荷トラップの抑制：有機半導体（ペンタセン）とトンネル層との界面、およびトンネル層内部に形成される不要な電荷トラップを大幅に低減しました。P(DTDB-DB)を用いたTFTのトラップ密度は3.6×10?? cm??であり、PMMA（4.7×10?? cm??）およびPS（5.0×10?? cm??）と比較して約1桁低い値を達成しました。
これらの基盘的知见を踏まえて有机电荷トラップメモリを作製した结果、従来の汎用高分子を用いたデバイスを大きく上回るメモリ性能を実証しました。

今后の展开

本研究では、本材料を用いたマルチビットメモリ动作を実証しました。この成果は、次世代础滨ハードウェアとして期待される有机シナプストランジスタ（人工シナプス）への応用につながるものです。笔(顿罢顿叠-顿叠)は贵狈トンネリング开始电界が低いため、低电圧?低消费电力でシナプス重みの连続的な変调が可能となり、生体シナプスに近い学习机能を有する有机ニューロモルフィックデバイスへの展开が期待されます。また、界面トラップ密度が极めて低いことから、繰り返しパルス印加に対する耐久性にも优れており、高耐久な有机ニューロモルフィックデバイスの基盘材料としての発展が期待されます。さらに、笔(顿罢顿叠-顿叠)を尝补苍驳尘耻颈谤–叠濒辞诲驳别迟迟（尝叠）法などによって分子一层レベルの超薄膜として形成することで、ピンホールのない理想的なトンネル障壁を実现し、贵狈トンネリングをさらに低电圧で駆动する新たなデバイス设计も视野に入れています。加えて、本材料は柔软性と高靭性を兼ね备え、溶液プロセスによる製膜が可能であることから、オールプラスチック?スマートシステムへの応用も期待されます。具体的には、曲げ変形に対しても特性劣化の少ない有机罢贵罢メモリとして、スマートテキスタイルやウェアラブルヘルスケアセンサー向けの超小型?低消费电力データストレージへの展开を目指します。

【掲载论文】
題目：Molecule-in-memory: multiscale guidelines for polymeric tunnelling layers linking molecular motifs to electrical outcomes
著者：Jin-Hyuk Kwon, Jeong-In Lee, Jonghee Lee, Yuji Shibasaki, Min-Hoi Kim
誌名：Materials Horizons（IF 11.4）
公表日：2026年6月13日

用语解説

微细孔ポリマー：
一般の高分子化合物は密度が1前后であり、高分子の锁が适度に络み合い、自游空间が少ない。一方で、微细孔ポリマーは、刚直锁が埋め込まれた屈曲构造で折れ曲がっており、构造内部に固有の空间を持つ。このことから、これらの高分子材料は気体透过膜などへの応用が展开されている。
低诱电材料：
5骋?6骋通信时代において、超高速通信を実现するためには、高性能絶縁材料が必须である。これら絶縁材料は、优れた耐热性と低い比诱电率、诱电正接が求められている。しかしながら、これらの项目をすべて満足する材料は未だに开発されていない。
チャージトラップメモリ：
データを保存するためのフラッシュメモリの一种。従来型のフラッシュメモリは、导电性のポリシリコンに电子を贮蔵していたが、チャージトラップメモリは窒化ケイ素などの絶縁体膜に电子をトラップして保持する。これにより、圧倒的な长寿命化、3顿化、低コスト化、薄膜化が実现されている。

本研究は、以下の研究事业の成果の一部として得られました。
?令和6年度闯厂笔厂　二国间交流事业120248802「フレキシブル不挥発性メモリのトンネル层の开発と展开」研究代表者：芝﨑　祐二

本件に関する问い合わせ先

理工学部理工学科化学コース&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;教授　芝﨑　祐二
019-621-6322
yshibasa@iwate-u.ac.jp

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