2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of D-A ladder type conjugated polymer for high charge carrier mobility
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18K14295
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
黒澤 忠法 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (30720940)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ラダー構造 / 半導体高分子 / π共役高分子 / 分子内相互作用 / 疑似的なラダー構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、π共役半導体高分子骨格に主鎖中の分子回転軸を排したラダー構造を付与することで、π共役高分子が持つ半導体能を大幅に向上させることを目的とする。今年度は、これまでに報告されているπ共役高分子の中で非常に高い結晶性を有するポリチオフェン骨格にアルコキシ側鎖を導入し、主鎖の硫黄原子と側鎖の酸素原子間で働くS-O相互作用を利用して疑似ラダー型共役高分子の合成とその伝導特性評価を行った。S-O相互作用を反映するようにアルコキシ側鎖を有する高分子主鎖の回転エネルギー障壁は、通常のアルキル側鎖を有する高分子に比べて2倍以上であることが理論計算により明らかとなった。一方で、特定の位置にアルコキシ側鎖が導入されたモノマーを用いた高分子合成においては、その高い電子供与性のためクロスカップリング反応の転化率が大幅に下がり、高い分子量が得られないことも分かった。この制限をフィードバックした分子設計・反応経路に従って合成されたπ共役高分子は高い分子量を持ちつつ、高い溶解性を示すものであった。分光測定によりアルコキシ側鎖を有する高分子は希薄溶液中でも薄膜とほぼ一致した吸収を示し、疑似ラダー構造で期待される主鎖の高い平面性および剛直性の実現が示唆された。また、分子性ドーパントでドーピングを行うことにより、高いドーピングレベルが確認され、X線構造解析では通常のπ共役高分子では見られない高次の回折パターンが確認できるほどの高い結晶性が実現した。アルコキシ側鎖を導入することで高分子主鎖の平面性、剛直性、結晶性、延いてはキャリア移動度が高まり、高ドープ時の電気伝導度は300 S/cmを超える高い値となった。また、この電気伝導度は大気中で2ヶ月以上劣化することがないほど高い安定性を示した。現在、これらの結果に関する論文は国際誌へ投稿中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度は分子設計指針を見直し、疑似的なラダー構造を構築することで当初の研究目的を達成することとした。今年度はこの新しい設計指針に基づいて主鎖中の分子回転を抑制した疑似ラダー構造を有する半導体高分子の合成とその伝導評価を行った。当初は重合反応が十分に進行しない問題に直面したものの、反応メカニズムを考慮した分子設計を行うことにより高い分子量を有する高分子の合成に成功した。合成された高分子は主鎖が高い平面性・剛直性を有することが理論計算および分光測定により強く示唆され、疑似的なラダー構造が構築されたことが分かった。また、設計上HOMO準位が非常に浅い半導体高分子ができあがるため、通常の電界効果トランジスタによるキャリア移動度の見積もりは困難であったが、化学ドーピングを施して電気伝導度を評価することで、良好なキャリア移動度を示すことも示唆された。さらに、主鎖のエネルギー準位を適切に調整することで導電性高分子の大気安定性を飛躍的に向上できることを見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、分子内相互作用を利用した疑似的なラダー構造という設計の有用性を示すため、既存のポリチオフェン骨格を基に材料開発を行った。これにより、軌道修正を行った分子設計が有効であり、高い汎用性を持つことが確認された。今後はこれをドナー・アクセプター構造に拡張することで、当初目的としていた研究目的を達成する予定である。
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