2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of supramolecular organic semiconductors
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19H00906
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
瀧宮 和男 東北大学, 理学研究科, 教授 (40263735)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大垣 拓也 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, 特別研究員 (80804228)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 有機半導体 / 結晶構造制御 / 超分子化 / 有機熱電変換材料 / 有機太陽電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度、下記1-3を中心に検討し大きな進展があった。加えて4)にも取り組み高い熱電特性を得た。
1 置換基導入による分子性半導体の結晶構造制御：ヘリンボーン構造をもつ半導体分子を母体に置換基の選択的導入により傾斜型π積層や二次元π積層へと変換し高移動度化する手法を見出した。また、分子構造が結晶構造に与える影響を考察するため、結晶中における分子間力や分子間相互作用を明らかにすることを目的に、SAPT法とNCI法などの量子化学計算に基づく解析法の検討に着手した。
2 光学活性分岐アルキル基の光学分割と有機半導体骨格への導入法の開発：代表的な可溶性置換基であり、通常はラセミ体の混合物として用いられる 2-エチルヘキシル基の光学分割（～98%ee）を達成し、また、大量分割とその後の官能基変換により、有機半導体への導入に適したハロゲン化物の合成法を確立した。さらにこれを用い、根岸カップリングにより有機半導体骨格へと導入可能な手法の検討も行い、2-(2-エチルヘキシル)DNTTの光学活性体の合成、単離に成功した。
3 非平面有機半導体の開発：チオフェン縮合ナフタレンイミド（NTI）骨格6分子をベンゼン環上に置換した三次元的な構造を持つ新奇有機半導体を合成した。この合成には直接アリール化反応を用いており、汎用性が高いうえに高効率の合成が可能であった。
4 n型半導体ポリマーの主鎖と分岐アルキル側鎖の設計：独自のn型半導体骨格であるナフトジチオフェンジイミド（NDTI）を主鎖に含む新規n型半導体ポリマーを開発し、これをドープすることで熱電材料としての特性を評価した。その結果、n型ポリマーとしては世界最高レベルの電気伝導率とパワーファクターを確認した。興味深いことに本ポリマーの熱電特性には可溶性分岐アルキル置換基における分岐位置が極めて重要であることも明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究開始時当初計画していた以下の項目、1) チエノアセン系有機半導体骨格への位置選択的置換基導入による結晶構造制御と高移動度化、2) 代表的な分岐アルキル基であるエチルヘキシル基の光学的に高純度化と有機半導体骨格への導入手法の開発、3) 非平面構造をもつ有機半導体分子を開発と応用、について、上記のように化合物合成と合成手法の開発に加えて、単結晶構造解析に基づく分子間相互作用の解析にも展開できており、これらは十分な進捗であると考えている。
また、1)-3) に加えて、分岐アルキル側鎖をもつ新奇なn型半導体ポリマーの開発にも着手できており、これについては、高移動度塗布トランジスタへの応用に加え、従来ほとんど検討できていなかったドーピング処理による伝導体化およびその熱電特性の評価にまで展開できた。
これらの成果と進捗状況を総合的に判断し、研究は予定以上に進展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は昨年に引き続き、以下の予定で検討を進める。
1 分子性半導体の結晶構造制御：既にヘリンボーン構造の母体半導体への選択的導入により傾斜型π積層や二次元π積層へと変換し高移動度化する手法を見出した。本年度は母体構造が一次元π積層や二量化ヘリンボーンといった異なる半導体分子を用い結晶構造制御を行う。また量子化学計算（SAPT法による分子間力の定量化、NCI法による分子間相互作用の可視化）により種々のπ骨格上の置換基が分子間力に与える効果を明確にし、分子構造に由来する超分子効果を明らかにする。
2 光学活性有機半導体：2-エチルヘキシル基の大量光学分割と官能基変換を経る有機半導体への導入法を種々の半導体分子に展開し光学活性有機半導体群を合成する。具体的にはジナフトチエノチオフェン、チオフェン縮環ナフタレンイミド類等の低分子、更にはポリアルキルチオフェンにも展開する。これら材料の評価を通じ光学活性分岐アルキル基の物性への影響を明らかにする。
3 非平面有機半導体：NTI-6置換ベンゼンを太陽電池や熱電変換へと応用する。有望な特性が得られれば、この構造モチーフを他の芳香族コアや半導体ユニットへと展開し、新たな材料群を開発する。また、チオフェン縮環サブフタロシアニンの異性体分離や光学分割を行い、構造解析やデバイス応用へと展開する。
4 n型半導体ポリマー：世界最高レベルの熱電材特性を示した半導体ポリマーの薄膜中での構造やドープ剤との相溶性などの構造的要因を調査する。またドープ剤を変え特性向上を図るとともに、ポリマー半導体での構造的知見を低分子系にも展開し、n型熱電材料のための分子設計指針の導出を目指す。
以上の4項目の研究において、材料の固体構造を明らかにしつつ研究を進めることが肝要であり、この目的のため汎用かつ迅速に構造情報を得ることを目的に卓上型粉末X線回折装置を導入する。
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