電子状態が金属並みの金属性プラスチックを開発―半導体プラスチックにおけるイオン交換を用い実現：東京大学/産業技術総合研究所ほか
(2019年8月29日発表)
東京大学と（国）産業技術総合研究所の共同研究グループは8月29日、半導体プラスチックでもイオン交換が可能であることを見出し、それをもとに、イオンで電子の数や流れやすさを制御し、金属性のプラスチックを実現することに成功したと発表した。イオンと電子の両方の特長を活かした「固体イオントロニクスデバイス」の研究の新展開が期待されるという。
半導体の結晶中にリンやホウ素などの不純物元素（ドーパント）を少量添加（ドーピング）すると、半導体中の電子の数やエネルギーを制御できる。
これは、シリコン半導体デバイスの作製において最も重要な技術の一つだが、高分子製の半導体プラスチックにおいてもドーピングは有効で、酸化還元力のある分子をドーパントとして用いると電子の数を劇的に変化させることができる。
しかし、強い酸化還元能力を持つドーパント分子は酸素などと反応し機能が簡単に失われてしまうため、この制約を乗り越え、安定に多くの電子をやり取りする手法の実現が望まれていた。
研究グループは今回、イオン交換を用いた新たなドーピング手法を考案、プラスチックとドーパント分子の2分子系に、新開発のイオン交換ドーピング法で新たなイオンを添加することにより、懸案の制約を解消することに成功、従来より圧倒的に高い伝導性を持つ導電性高分子を作り出した。
この多分子系ではイオン化したドーパント分子が新たに添加されたイオンと瞬時に交換すること、つまり半導体プラスチックでもイオン交換が可能なこと、しかも、適切なイオンを選定するとイオン交換効率がほぼ100％になることを見出した。
このイオン交換ドーピングを用いると、イオン交換を駆動力として、ドーピング量が増大することも判明、半導体プラスチックと添加イオンの組み合わせによっては従来の3倍以上のドーピング量が実現された。
このような高いドーピング量を有する半導体では、電子が高分子の鎖からの束縛を離れ、波のように振る舞う。これは、一般の金属で見られるような電子状態であり、半導体プラスチックにおいて金属状態の実現が認められたとしている。
イオン（イオニクス）と電子（エレクトロニクス）を組み合わせたイオントロニクスの研究開発は近年盛んになっており、今回の成果はその進展に貢献することが期待されるという。
