有機半導体高分子を用いたニューロモルフィックマテリアル：分子一層のネットワークで脳の機能を模倣

これまでに発表者らの研究グループは、水面を利用した独自技術である液晶混合展開法を用いることで、有機半導体高分子からなる単分子膜の形成やそのナノ構造(配向や膜厚など)を自在に制御できることを報告してきました。本研究では、この液晶混合展開法を応用することで、脳の神経ネットワーク構造を模倣した有機半導体高分子の単分子膜ネットワークの作製を試み、そのネットワーク構造と電気特性との相関を詳細に検討しました。高分子材料には、一般的な有機半導体高分子材料として知られるP3HTを用い、さらに導電性を付与するために代表的な低分子ドーパント※5であるF4TCNQを用いました(図1)。その結果、液晶混合展開法を用いることで、有機半導体高分子からなる単分子膜ネットワーク構造の作製に成功し、その二次元膜密度やドープ割合、膜厚、分子配向といったナノ構造を精密に制御することに成功しました。さらに、そのナノ構造と電気特性との相関を系統的に調査した結果、二次元的に広がったネットワーク構造を示す単分子膜においてのみ非線形の電気伝導特性が見られ、二次元に制限されているネットワーク型の伝導経路が非線形の電気特性を発現するための重要な因子であることを初めて明らかにしました (図2)。このようにして調製した導電性高分子の単分子膜ネットワークは、非線形性や高次性、短期記憶といったマテリアルリザバー素子に必要とされる三つの特性を示すことも明らかとなりました。

（添付：図2 有機半導体高分子単分子膜の原子間力顕微鏡像(左)と対応する電流-電圧特性のイメージ図(右)。均一に敷き詰められた単分子膜では線型の電流-電圧特性を示すが(青)、二次元のネットワーク構造とすることで非線形特性が現れる(赤)。）
　
【今後の展望】
本研究で用いた手法は、一般的に広く知られる様々な有機半導体高分子に適用することができる汎用的な手法であり、高分子材料ベースのニューロモルフィックマテリアル開発へ向けた強力な手法になることが期待されます。また、本研究は従来の構造制御がなされていないランダムなナノ構造を有するニューロモルフィックマテリアルとは異なり、用途に応じて自在に構造制御しうるニューロモルフィックマテリアルの新たな設計指針となり、本分野の研究を加速させることが期待されます。
　
【謝辞】
本研究を進めるにあたり、大阪大学大学院理学研究科 松本 卓也 先生、早稲田大学先進理工学部 長谷川 剛先生には電気計測において有益なディスカッションを頂きました。また、X線散乱測定においては、信州大学 是津 信行 先生、八名 拓実氏にご協力いただきました。この場を借りて御礼申し上げます。