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2015 Fiscal Year Annual Research Report

多階層制御による有機半導体材料の高機能化

Research Project

Project/Area Number 15H02196
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

瀧宮 和男  国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, グループディレクター (40263735)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2019-03-31
Keywords有機半導体骨格 / 有機トランジスタ / 有機太陽電池 / 結晶構造解析 / 分子間相互作用
Outline of Annual Research Achievements

申請者は有機合成化学を基盤に有機半導体材料の開発と有機トランジスタ、有機薄膜太陽電池などへの応用を行ってきた中で、従来の枠に囚われない未踏有機半導体骨格の探索、及び、それらの構造、電子状態を活かしつつ材料へと展開すること、さらには、薄膜中での材料の高次構造を制御することの重要性を認識してきた。これを受け,本研究では未踏有機半導体骨格の開発に焦点を当て、それらの設計・合成・応用を行うことを第一の目的とする。
次に,薄膜中の分子配列、配向を分子設計の段階で制御することを目指す。本研究では、分子設計、精密有機合成、単結晶構造解析、薄膜構造解析、デバイス作製評価の異なる手法を用い研究を進めていき、最終的には、未踏骨格開発と高次構造の制御と共に、高性能トランジスタや有機薄膜太陽電池の実現に資する有機半導体の開発を行うことを目指している。
初年度の平成27年度は、新規なn型未踏有機半導体骨格を標的分子として合成を中心に研究に着手し、既開発のナフトジチオフェンジイミド(NDTI)の簡便合成法と誘導体化法の開発、新規骨格であるナフトチオフェンイミド(NTI)の開発と応用展開、さらにはアセンジチオフェンジオンの開発など、当初標的としていた骨格の合成を達成した。また、従来から検討していたナフトビスチアジアゾール(NTz)、及びナフトビスオキサジアゾール(NOz)の開発と応用についても検討し、有機薄膜太陽電池において高い効率を実現するに至っている。一方、有機半導体分子の構造をもとに分子配列を制御する試みにも着手しており、NDTIへの選択的な置換基の導入により二次元的分子配列を実現し、電界効果トランジスタにおいて高い電子移動度が得られることなどを明らかにしている。これらの成果は、論文として学術誌に報告し、また、学会等でも広く発表する中で高い評価を得ている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

今年度、新規なn型未踏有機半導体骨格を標的分子として合成研究に着手し、1) 既に開発していたナフトジチオフェンジイミド(NDTI)誘導体の簡便合成法と修飾法の開発、2) 一連のアセンジチオフェンジオンの合成、電子状態解析、およびポリマー半導体への展開、3) ナフトチオフェンジイミド(NTI)の現実的な合成法の開発、4) ナフトビス-オキサジアゾール、セレナジアゾールの開発とポリマー半導体への展開、などの未踏半導体骨格の開発と展開について実施することが出来た。
以上はいずれも当初今年度に合成を計画した骨格であり、さらに、これらの未踏半導体骨格を用いた材料の薄膜構造の制御を試みについても成果を得た。例えば、1) NDTI骨格に塩素を導入することで分子間相互作用の様式を変化させ、材料の電子構造を擬二次元的にすることで、移動度を一桁以上改善し、大気中で安定なn型FETで移動度0.8 cm2/Vsを達成、2) 既に開発していたp型半導体であるDNTTの可溶性と結晶性を両立できる分子修飾法を見出し、塗布トランジスタにより2.0 cm2/Vsを超える移動度を実現、3) NDTIを基盤として、低LUMO半導体ポリマーを開発。さらに可溶性アルキル基の形状を変化せることで、薄膜での電界効果移動度、電子ドープ後の伝導度、熱電特性が大きく変化、など、今後研究を進めていくうえで重要な知見である。

Strategy for Future Research Activity

初年度において、複数の電子不足未踏有機半導体骨格を開発することが出来たので、これらを利用して材料として利用できる、低分子から高分子半導体までの材料展開とそれらのデバイス応用を検討する。中でも全くの新規骨格として開発できた上記NTIは一か所のみのπ拡張部位を有することから、オリゴマーや樹状高分子材料における電子不足末端としての利用が期待できる。これにより特徴的な共役骨格に電子不足性を導入することが可能となり、例えば、二次元的にπ電子系が拡張した平面構造のオリゴマーや三次元的なσ骨格の末端にペンダントしたような分子構造を構築でき、特異な分子形状を利用した薄膜中での分子配向制御への展開を行う。さらにこのような分子形状が有機する分子配向の調査を単結晶X線構造解析や薄膜のXRD測定などにより行い、構造と凝集状態での分子配向の相関について、検討を行う。
これらに加え、新たに開発した分子群のデバイスへの応用を検討する。本研究では電子不足未踏骨格の開発に主眼を置いており、n型薄膜トランジスタ用材料、両極性材料、さらには、薄膜太陽電池におけるn型半導体への応用を中心に検討する。中でも、最近低分子n型半導体の有機薄膜太陽電池への応用で高い特性が報告されており、本研究で開発された電子不足骨格はこのような用途に対しても応用可能と考えられる。
上記の分子構造制御による配向制御法と合わせて、デバイス応用に対して望ましい分子配向を取ることが出来るような分子を設計することで、高い特性が得られるような分子群を開発する。

  • Research Products

    (45 results)

All 2016 2015

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 9 results,  Acknowledgement Compliant: 8 results) Presentation (36 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 22 results)

  • [Journal Article] Soluble Dinaphtho[2,3-b:2’,3’-f]thieno[3,2-b]thiophene Derivatives for Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors2016

    • Author(s)
      M. Sawamoto, M. J. Kang, E. Miyazaki, H. Sugino, I. Osaka, K. Takimiya
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 8 Pages: 3810-3824

    • DOI

      10.1021/acsami.5b10477

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Design and elaboration of organic molecules for high field-effect-mobility semiconductors,2016

    • Author(s)
      K. Takimiya, M. Nakano, H. Sugino, I. Osaka
    • Journal Title

      Synthetic Metals

      Volume: 217 Pages: 68-78

    • DOI

      10.1016/j.synthmet.2016.02.018

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Naphthodithiophene Diimide-Based Copolymers: Ambipolar Semiconductors in Field-Effect Transistors and Electron Acceptors with Near-Infrared Response in Polymer Blend Solar Cells2016

    • Author(s)
      K. Nakano, M. Nakano, B. Xiao, E. Zhou, K. Suzuki, K. Takimiya, K. Tajima
    • Journal Title

      Macromolecules

      Volume: 8 Pages: 1752-1760

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.5b02658

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] High-Efficiency Polymer Solar Cells with Small Photon Energy Loss2016

    • Author(s)
      I. Osaka, K. Kawashima, Y. Tamai, H. Ohkita, K. Takimiya
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 6 Pages: 10085

    • DOI

      10.1038/ncomms10085

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Thermally, Operationally, and Environmentally Stable Organic Thin-film Transistors Based on Bis[1]benzothieno[2,3-d:2',3'-d']naphtho[2,3-b:6,7-b']dithiophene (BBTNDT) derivatives: Effective Synthesis, Electronic Structures, and Structure-Property Relation-ship2015

    • Author(s)
      M. Abe, T. Mori, I. Osaka, K. Sugimoto, K. Takimiya
    • Journal Title

      Chemistry of Materials

      Volume: 27 Pages: 5049-5057

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.5b01608

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Effect of Chalcogen Atom on the Properties of Naphthobischalcogenadiazole-Based π-Conjugated Polymers2015

    • Author(s)
      K. Kawashima, I. Osaka, K. Takimiya
    • Journal Title

      Chemistry of Materials

      Volume: 27 Pages: 6558-6570

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.5b03124

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Angular-Shaped 4,9-Dialkyl α-and β-Naphthodithiophene-Based Donor-Acceptor Copolymers: Investigation of Isomeric Structural effects on Molecular Properties and Performance of Field-Effect Transistors and Photovoltaics2015

    • Author(s)
      S.-W. Cheng, D.-Y. Chiou, C.-E. Tsai, W.-W. Liang, Y.-Y. Lai, J.-Y. Hsu, C.-S. Hsu, I. Osaka, K. Takimiya, Y.-J.Cheng
    • Journal Title

      Advanced Functional Materials

      Volume: 25 Pages: 6131-6143

    • DOI

      10.1002/adfm.201502338

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Efficient inverted polymer solar cells employing favourable molecular orientation2015

    • Author(s)
      V. Vohra, K. Kawashima, T. Kakara, T. Koganezawa, I. Osaka, K. Takimiya, H. Murata
    • Journal Title

      Nature Photonics

      Volume: 9 Pages: 403-408

    • DOI

      10.1038/NPHOTON.2015.84

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] α-Modified naphthodithiophene diimides; molecular design strategy for air-stable n-channel organic semiconductors2015

    • Author(s)
      M. Nakano, I. Osaka, D. Hashizume, K. Takimiya
    • Journal Title

      Chemical of Materials

      Volume: 27 Pages: 6418-3425

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.5b02601

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Electron-Deficient Thienoacens for Electonic Materials2016

    • Author(s)
      瀧宮 和男・中野 正浩・尾坂 格
    • Organizer
      2016 MRS Spring Meeting
    • Place of Presentation
      フェニックスコンベンションセンター(アメリカ合衆国・フェニックス)
    • Year and Date
      2016-03-31
    • Invited
  • [Presentation] 合成化学研究から電子材料へ~有機半導体の合成化学~ From synthetic chemistry to electronic materials~Chemistry of organic semiconductors~2016

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      Reaxys Prize Clubシンポジウム in Japan 2016
    • Place of Presentation
      同志社大学京田辺キャンパス(京都府京田辺市)
    • Year and Date
      2016-03-25
    • Invited
  • [Presentation] 可溶性DNTT誘導体を用いた塗布製膜トランジスタの高性能化2016

    • Author(s)
      澤本 尚典・杉野 寛佳・尾坂 格・瀧宮 和男
    • Organizer
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2016-03-21
  • [Presentation] 自己組織化単分子膜を用いた両極性半導体のキャリア制御2016

    • Author(s)
      中野 正浩・尾坂 格・瀧宮 和男
    • Organizer
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2016-03-21
  • [Presentation] Thienoacenes; molecules for organic semiconductors and beyond2016

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      日独「分子技術」ワークショップ: Germany-Japan Molecular Technology Workshhop
    • Place of Presentation
      パーク プラザ ウォールストリート ベルリン(ドイツ・ベルリン)
    • Year and Date
      2016-03-18
  • [Presentation] Electron-deficient thienoacenes for opto/electronic applications2016

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      2016 ACS Spring National Meeting & Exposition ACS 251st National Meeting
    • Place of Presentation
      マリオット・マオキス・サンディエゴ・マリーナサンディエゴ(アメリカ合衆国・サンディエゴ)
    • Year and Date
      2016-03-14
    • Invited
  • [Presentation] 有機半導体材料、および新規π電子系の開発2016

    • Author(s)
      瀧宮 和男・尾坂 格・川島 和彰
    • Organizer
      理化学研究所と親しむ会
    • Place of Presentation
      ホテルニューオータニ(東京千代田区)
    • Year and Date
      2016-02-01
  • [Presentation] 合成化学研究から電子材料へ~高効率有機薄膜太陽電池の開発2016

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      理化学研究所と親しむ会
    • Place of Presentation
      ホテルニューオータニ(東京千代田区)
    • Year and Date
      2016-02-01
  • [Presentation] 有機半導体材料、および新規π電子系の開発2016

    • Author(s)
      瀧宮 和男・尾坂 格・川島 和彰
    • Organizer
      nano tech 2016 The15th International Nanotechnology Exhibition & Conference
    • Place of Presentation
      東京ビックサイト(東京都江東区)
    • Year and Date
      2016-01-29
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Electron-Deficient Heteroarenes: Synthesis and Applications2016

    • Author(s)
      瀧宮 和男・中野 正浩・尾坂 格
    • Organizer
      ISFM2016: International Symposium on Functional Materials 2016
    • Place of Presentation
      OIST:沖縄科学技術大学院大学(沖縄県国頭郡)
    • Year and Date
      2016-01-27
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Control of Major Carriers in an Ambipolar Semiconductiong Polymer by Self-Assembled Monolayers on the Dielectric Surface2016

    • Author(s)
      中野 正浩・尾坂 格・瀧宮 和男
    • Organizer
      CEMSupra 2016: CEMS International Symposium on Supramolecular Chemistry and Functional Materials 2016
    • Place of Presentation
      東京大学伊藤謝恩ホール(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-01-15
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Substituent effects of mono-alkylated DNTTs: Molecular and film properties, and applicaion to organic field-effect transistors2016

    • Author(s)
      澤本 尚典・姜 明辰・尾坂 格・瀧宮 和男
    • Organizer
      CEMSupra 2016: CEMS International Symposium on Supramolecular Chemistry and Functional Materials 2016
    • Place of Presentation
      東京大学伊藤謝恩ホール(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-01-15
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Design, Synthesis and Applications of Novel N-heteroacenes in Organic Electronics2016

    • Author(s)
      Chengyuan Wang, Qichun Zhang, 尾坂 格, 瀧宮 和男
    • Organizer
      CEMSupra 2016: CEMS International Symposium on Supramolecular Chemistry and Functional Materials 2016
    • Place of Presentation
      東京大学伊藤謝恩ホール(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-01-15
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Electron Deficient Thienoacenes; Synthesis and Applications2016

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      CEMSupra 2016: CEMS International Symposium on Supramolecular Chemistry and Functional Materials 2016
    • Place of Presentation
      東京大学伊藤謝恩ホール(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-01-14
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Naphtho[2,3-b:6,7-b']dithiophene-4,5,9,10-diimide (NDTI)-based organic semiconductors: From small molecules to polymers2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      PACIFICHEM2015: Functional molecular materials and devices Symposium
    • Place of Presentation
      シェラトンワイキキホテル(ハワイ・ホノルル)
    • Year and Date
      2015-12-17
    • Invited
  • [Presentation] Recent Progress on DNTT-Based Materials2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      2015 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • Place of Presentation
      ボストンハインズコンベンションセンター(アメリカ合衆国・ボストン)
    • Year and Date
      2015-12-02
    • Invited
  • [Presentation] 電子不足チエノアセン分子の合成と応用2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      2015年日本化学会中国四国支部大会
    • Place of Presentation
      岡山大学津島キャンパス(岡山市北区)
    • Year and Date
      2015-11-14
    • Invited
  • [Presentation] New electron-deficient heteroarenes for organic electronics2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      The Third RIKEN-NCTU Symposium on Physical and Chemical Science
    • Place of Presentation
      台湾国立交通大学(台湾新竹市)
    • Year and Date
      2015-11-12
    • Invited
  • [Presentation] 高移動度有機半導体材料の開発2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      ライフサイエンス技術部会及び 電子情報技術部会共催講演会
    • Place of Presentation
      新化学技術推進協会(JACI)
    • Year and Date
      2015-11-06
  • [Presentation] 高移動度有機半導体材料の探索 ~ 結晶構造の観点から~2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      日本化学会「第24回有機結晶シンポジウム」
    • Place of Presentation
      広島大学霞キャンパス広仁会館(広島県広島市)
    • Year and Date
      2015-11-02
    • Invited
  • [Presentation] Control of major carriers in an ambipolar semicinducting polymer by self-assembled monolayers on the dielectric surfac2015

    • Author(s)
      中野 正浩・瀧宮 和男
    • Organizer
      The 3rd CEMS topical research camp
    • Place of Presentation
      ホテル鬼怒川温泉(栃木県日光市)
    • Year and Date
      2015-10-30
  • [Presentation] Thienannulation: Efficient Synthesis of pi-Extended Thienoacenes Applicable to Organic Semiconductors2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男・中野 正浩
    • Organizer
      KOST- International Congress on Heterocyclic Chemistry
    • Place of Presentation
      ロモノーソフ・モスクワ国立総合大学(ロシア・モスクワ)
    • Year and Date
      2015-10-20
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ここまできた高性能有機半導体~材料開発と応用~2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      第5回化学フェスタ2015
    • Place of Presentation
      タワーホール船堀(東京都江戸川区)
    • Year and Date
      2015-10-15
    • Invited
  • [Presentation] 複素芳香族を基盤とした有機半導体の開発2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      岐阜大学セミナー
    • Place of Presentation
      岐阜大学工学部(岐阜市柳戸)
    • Year and Date
      2015-09-15
    • Invited
  • [Presentation] 高移動度有機半導体の設計と合成2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      中央大学「材料化学セミナー」 兼 第23-26回有機元素化学セミナー
    • Place of Presentation
      中央大学理工学部(東京都文京区)
    • Year and Date
      2015-07-30
    • Invited
  • [Presentation] Molecular and Macromolecular Approach to Organic Electronics: New Heteroaromatic Building Blocks for Opto/Electronic Materials2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      RIKEN-KNU Joint Symposium
    • Place of Presentation
      理化学研究所(埼玉県和光市)
    • Year and Date
      2015-07-27
    • Invited
  • [Presentation] Bis(benzothieno)naphthodithiophene (BBTNDT) Derivatives for Organic Semiconductor2015

    • Author(s)
      阿部 正宏・尾坂 格・瀧宮 和男
    • Organizer
      F-π:12th International Symposium on Functional π-electron systems
    • Place of Presentation
      ワシントン大学(アメリカ合衆国・シアトル)
    • Year and Date
      2015-07-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Soluble DNTT Derivatives for Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors2015

    • Author(s)
      澤本 尚典・尾坂 格・瀧宮 和男
    • Organizer
      F-π:12th International Symposium on Functional π-electron systems
    • Place of Presentation
      ワシントン大学(アメリカ合衆国・シアトル)
    • Year and Date
      2015-07-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 複素芳香族を基盤とした有機半導体の開発2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      東工大 応用化学特論第二
    • Place of Presentation
      東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2015-07-17
    • Invited
  • [Presentation] 高移動度有機半導体材料の探索2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      第12回日本写真学会 光機能材料セミナー  「有機半導体の最先端-キャリア高移動度の追求」
    • Place of Presentation
      東京工芸大学中野キャンパス(東京都中野区)
    • Year and Date
      2015-07-15
    • Invited
  • [Presentation] Hetero-Acenes and Thienoacenes in OFETs and OPVs (and more)2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      ISNA post workshop Satellite Meeting "A pi-day in Malaga"
    • Place of Presentation
      マラガ大学(スペイン・マラガ)
    • Year and Date
      2015-07-13
    • Invited
  • [Presentation] Quinoidal Naphtho[1,2-b:5,6-b']Dithiophenes; Synthesis, Properties,Electronic Structures, and Application to n-Channel Organic Field-Effect Transistors2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      ISNA16: 16th International Symposium on Novel Aromatioc Compounds
    • Place of Presentation
      マドリード・コンプルテンセ大学(スペイン・マドリード)
    • Year and Date
      2015-07-09
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Novel Electron Deficient Building Blocks for Organic Electronic Materials2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男、尾坂 格、中野 正浩
    • Organizer
      8th ICMAT:8th International Conference on Materials for Advanced Technologies of the Materials Research Society of Singapore
    • Place of Presentation
      サンテック・シンガポール国際会議場(シンガポール・シンガポール市)
    • Year and Date
      2015-06-29
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Material design and synthesis of heteroarene-based organic semiconductors for organic transistors and solar cells2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      Seminar at NTU on June 29th
    • Place of Presentation
      南洋理工大学(シンガポール)
    • Year and Date
      2015-06-29
    • Invited
  • [Presentation] ナフトジチオフェンジイミド(NDTI)を基盤とした新規半導体ポリマー, Naphthodithiophenediimide(NDTI)-based novel semiconducting polymers2015

    • Author(s)
      中野 正浩,尾坂 格,瀧宮 和男
    • Organizer
      第64回高分子学会年次大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2015-05-29
  • [Presentation] Material design and synthesis of heteroarene-based organic semiconductors for organic transistors and solar cells2015

    • Author(s)
      瀧宮 和男
    • Organizer
      SNU Colloquium Seminar
    • Place of Presentation
      Seoul national University(韓国・ソウル市)
    • Year and Date
      2015-04-17
    • Invited

URL: 

Published: 2017-01-06  

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