有機半導体で高精度な薄膜型イオンセンサーを開発：小型薄型化や低コスト化が可能に

東京大学と物質・材料研究機構（NIMS）の共同研究グループは、フィルム基板上に形成された有機半導体単結晶を用い、精度が高い「薄膜型イオンセンサー」を開発した。従来の半導体を用いたトランジスタ型イオンセンサーに比べ、小型薄型化や低コスト化が可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

有機半導体単結晶トランジスタが疑似参照電極として機能

　東京大学大学院新領域創成科学研究科と物質・材料研究機構（NIMS）の共同研究グループは2024年9月、フィルム基板上に形成された有機半導体単結晶を用い、精度が高い「薄膜型イオンセンサー」を開発したと発表した。従来の半導体を用いたトランジスタ型イオンセンサーに比べ、小型薄型化や低コスト化が可能となる。

　イオンセンサーは、イオン濃度を電位差に変換して計測しており、ヘルスケアや農水産業など幅広い用途で利用されている。ただ、従来型の測定システムでは、基準電位を与えるために銀／塩化銀などの参照電極が必要であった。この参照電極が、イオンセンサーの小型薄型化を妨げていたという。

　研究グループは今回、印刷プロセスでフィルム基板上に有機半導体単結晶トランジスタを形成し、これが疑似参照電極として従来の参照電極を代替できることを見いだした。電気二重層トランジスタにゲート電圧を加えて半導体の電位をシフトさせると、ソース−ドレイン電極間の電流値が変化する。この関係性から電流値が分かれば半導体の電位を推定できる。

　この方法では安定したデバイス動作が必須となる。定常状態における16時間の測定結果から、開発した有機半導体単結晶トランジスタは、推定した電位のドリフトが0.5mV/hであった。この値は、市販されている銀／塩化銀の参照電極と同程度の安定性だという。

　さらに、イオンセンサーを水溶液中で応用する場合、半導体表面を保護する必要がある。そこで今回、半導体として機能するπ共役骨格を分子内のアルキル鎖が保護する構造とした。これによって、優れた保護機能を実現した。

　実験では、カリウムイオン濃度のセンシングも実証した。トランジスタと測定対象の水溶液を仕切る液絡に、イオン選択膜を用いたセンサー用トランジスタを作製し、参照用トランジスタとの差動計測を行った。参照用トランジスタの電流値が一定になるようゲート電圧を制御したところ、半導体の電位は一定に保たれた。この状況で差動計測を行ったところ、イオン濃度が1桁変わるごとに62mV変化した。これによって、高精度な動作であることを確認した。

疑似参照電極として動作する有機半導体単結晶トランジスタ［クリックで拡大］ 出所：東京大学

開発した有機半導体単結晶を用いて作製した薄膜型イオンセンサーの模式図と主な特性［クリックで拡大］ 出所：東京大学