Development of high-performance n-type semiconducting polymers by precise control of molecular orbitals

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K14745
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 35030:Organic functional materials-related
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: Tsubasa Mikie 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (40881280)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 半導体ポリマー / π共役系材料 / 有機薄膜太陽電池 / 有機トランジスタ / n型半導体

Outline of Final Research Achievements

In this study, we developed an n-type semiconductor polymers based on moderate electron-deficient building unit quinoxaline imide (QI) to delocalize LUMO along the polymer backbone. We found that whereas QI-based monomer itself showed insufficiently low LUMO energy levels, QI-based polymer showed sufficiently low LUMO that function as n-type materials. This results clearly indicated that delocalization of LUMO along the backbone is effective to lower the LUMO energy levels of the polymer. Furthermore, organic transistors based on QI-based polymer exhibited ambipolar behavior with high electron mobility more than 1 cm2/Vs.

Free Research Field

構造有機化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

塗って作製できる有機トランジスタや薄膜太陽電池は、次世代のデバイスとして注目されている。これらの開発にはp型及びn型半導体ポリマーの両方が必要であるが、p型に比べてn型ポリマーの開発が遅れている。従来、強力な電子欠損性を持つ骨格をポリマー主鎖に導入してLUMO準位を低下させることがn型半導体ポリマーの分子設計指針であった。一方、本研究では、LUMOの非局在化に着目した新しい分子設計により、「適度な」電子欠損性を持つ骨格を用いて十分に低いLUMO準位を有するポリマーの開発に成功した。新しい分子設計指針を示した本研究は、n型半導体ポリマーの高性能化へ向けて重要な知見となる。