屈曲型パイ電子コアを基盤とする高性能かつ高熱耐久性塗布型有機半導体の創製

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25288091
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岡本 敏宏 東京大学, 新領域創成科学研究科, 准教授 (80469931)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三津井 親彦 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特任助教 (00615346) ; 竹谷 純一 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (20371289) ; 植村 隆文 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特任講師 (30448097)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: パイ電子系材料 / 有機半導体 / 高移動度 / 高熱耐久性 / 塗布プロセス

Research Abstract

本研究では高性能かつ高熱デバイス耐久性塗布型有機半導体の開発をめざし，申請者の独自の分子設計指針により開発した典型元素架橋屈曲型パイ電子系コアであるＶ字型およびＶ字型の拡張系であるＮ字型分子群の合成，基礎物性測定，および半導体特性評価を行った．硫黄架橋Ｖ字型およびＮ字型分子群はこれまでの研究ですでに開発済みの手法を用いて合成を行い，無置換体およびアルキル鎖長と位置の異なる各種誘導体を得た．酸素架橋体は酸素類縁体よりも簡便に合成可能であった．得られた誘導体の集合体構造を明らかにするために単結晶構造解析を行ったところ，Ｖ字型分子群に関しては，元素の種類やアルキル鎖長と位置に関わらず，２次元伝導に有利なヘリングボーン構造を形成しているのに対して，屈曲部位を２カ所持つＮ字型分子群は元素の種類により違いが見られ，酸素架橋体はすべてヘリングボーン構造，硫黄架橋体はアルキル鎖長と位置の影響を受け，さまざまな構造を形成することがわかった．特にデシル基を導入したＮ字型硫黄架橋体１は理想的なヘリングボーン構造を形成することがわかった．得られた一連の化合物は熱的かつ化学的に安定性が高いことがわかった．アルキル鎖を導入した誘導体は一般的な有機溶剤でトルエンやクロロホルムに対して印刷プロセス可能な溶解性を示した．半導体特性評価を行ったところ，移動度は蒸着膜デバイスで最高6.5 cm2/Vs, 独自の塗布結晶化法で作製した塗布膜を用いたデバイスで最高16 cm2/Vsの世界最高レベルの値を実現した．さらに，デバイスでの熱ストレス試験を行ったところ，特に化合物１は塗布可能な半導体として世界最高の200度まで安定に駆動する有機半導体材料であることを明らかとした．
また，他の元素を導入したセレン架橋Ｖ字型およびＮ字型分子群のための合成法の開発にも成功し，次年度以降で得られたセレン架橋体の詳細な検討を進める予定である．

Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度の研究実施計画は，①酸素，硫黄架橋Ｖ字型およびＮ字型の各種誘導体の合成，② ①で得られた化合物群の基礎物性評価，③単結晶構造解析による集合体構造の理解，④蒸着膜および単結晶膜トランジスタによる半導体特性評価 であり，おおむね計画通りに研究が進捗している，特にデシル鎖を導入した硫黄架橋Ｎ字型分子は高移動度かつ高熱耐久性を有する塗布可能な有機半導体材料の開発に成功し(Adv. Mater. accepted)，計画以上に大きく進展した．

Strategy for Future Research Activity

初年度は一連のカルコゲン（酸素，硫黄，セレン）架橋Ｖ字型，Ｎ字型分子群の合成法を確立し，各種誘導体の合成を達成した．特に硫黄架橋Ｖ字型とＮ字型分子の基礎物性と半導体特性評価に主眼をおき，Ｎ字型硫黄架橋体に関しては計画以上の成果を得た．次年度以降は初年度で合成済みの他の酸素およびセレン架橋体の基礎物性，集合体構造解析および半導体特性評価を進め，元素が及ぼす電子的や幾何学的効果を詳細に検討する．得られる知見に基づき，初年度に実現した有望な有機半導体材料のさらなる高性能化に取り組む．

Research Products

• [Journal Article] High-mobility organic transistors with wet-etch-patterned top electrodes: a novel patterning method for fine-pitch integration of organic devices (2014)
  • Author(s): K. Nakayama, M. Uno*, T. Uemura , N. Namba, Y. Kanaoka, T. Kato, M. Katayama, C. Mitsui , T. Okamoto, J. Takeya*
  • Journal Title: Adv. Mater. Interfaces Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1002/admi.201300124
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Furan Fused V-Shaped Organic Semiconducting Materials with High Emission and High Mobility (2014)
  • Author(s): K. Nakahara, C. Mitsui, T. Okamoto,* M. Yamagishi, H. Matsui, T. Ueno, Y. Tanaka, M. Yano, T. Matsushita, J. Soeda, Y. Hirose, H. Sato, A. Yamano, and J. Takeya*
  • Journal Title: Chem. Commun. Volume: 50 Pages: 5342-5344
  • DOI: 10.1039/C3CC47577H
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Split-Gate Organic Field-Effect Transistors for High-Speed Operation (2014)
  • Author(s): T. Uemura*, T. Matsumoto, K. Miyake, M. Uno, S. Ohnishi, T. Kato, M. Katayama, S. Shinamura, M. Hamada, M.-J. Kang, K. Takimiya, C. Mitsui, T. Okamoto, and J. Takeya*
  • Journal Title: Adv. Mater. Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1002/adma.201304976
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solution-processed single-crystalline organic transistors on patterned ultrathin gate insulators (2014)
  • Author(s): J. Tsurumi, A. Y. Amin, T. Okamoto, C. Mitsui, K. Takimiya, H. Matsui, M. Halik*, J. Takeya*
  • Journal Title: Org. Electron. Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1016/j.orgel.2014.02.028
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-Performance Solution Processable N-Shaped Organic Semiconducting Materials with Stabilized Crystal Phase (2014)
  • Author(s): C. Mitsui, T. Okamoto*, M. Yamagishi, J. Tsurumi, K. Yoshimoto, K. Nakahara, J. Soeda, Y. Hirose, H. Sato, A. Yamano, T. Uemura, and J. Takeya*
  • Journal Title: Adv. Mater. Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1002/adma.201400289
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two-dimensional crystal growth of thermally converted organic semiconductors at the surface of ionic liquid and high-mobility organic field-effect transistors (2013)
  • Author(s): J. Soeda, T. Okamoto,* A. Hamaguchi, Y. Ikeda, H. Sato, A. Yamano, J. Takeya*
  • Journal Title: Org. Electron. Volume: 14 Pages: 1211-1217
  • DOI: 10.1016/j.orgel.2013.01.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of Hole Transporting Properties in Thin-Film and Single-Crystal Organic Field-Effect Transistor Based on Dinaphtho[2,1-b:1’,2’-d]thiophene (2013)
  • Author(s): K. Nakahara, C. Mitsui, T. Okamoto*, M. Yamagishi, J. Soeda, K. Miwa, H. Sato, A. Yamano, T. Uemura, J. Takeya*
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 52 Pages: 05DC10-1/4
  • DOI: 10.7567/JJAP.52.05DC10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-crystal Field-effect Transistors with a Furan-containing Organic Semiconductor Having a Twisted π-Electronic System (2013)
  • Author(s): K. Nakahara, C. Mitsui, T. Okamoto,* M. Yamagishi, K. Miwa, H. Sato, A. Yamano, T. Uemura, J. Takeya*
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: 42 Pages: 654-656
  • DOI: 10.1246/cl.130133
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inch-Size Solution-Processed Single-Crystalline Films of High-Mobility Organic Semiconductors (2013)
  • Author(s): J. Soeda, T. Uemura, T. Okamoto,* C. Mitsui, M. Yamagishi, J. Takeya*
  • Journal Title: Appl. Phys. Exp. Volume: 6 Pages: 076503-1/4
  • DOI: 10.7567/APEX.6.076503
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] V-Shaped Organic Semiconductors With Solution Processability, High Mobility, and High Thermal Durability (2013)
  • Author(s): T. Okamoto*, C. Mitsui, M. Yamagishi, K. Nakahara, J. Soeda, Y. Hirose, K. Miwa, H. Sato, A. Yamano, T. Matsushita, T. Uemura, and J. Takeya*
  • Journal Title: Adv. Mater. Volume: 25 Pages: 6392-6397
  • DOI: 10.1002/adma.201302086
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dinaphtho[1,2-b:2',1'-d]chalcogenophenes: Comprehensive Investigation of the Effect of the Chalcogen Atoms in the Phenacene-Type π Electronic Cores (2013)
  • Author(s): C. Mitsui, T. Okamoto,* H. Matsui, M. Yamagishi, T. Matsushita, J. Soeda, K. Miwa, H. Sato, A. Yamano, T. Uemura, and J. Takeya*
  • Journal Title: Chem. Mater. Volume: 25 Pages: 3953-3956
  • DOI: 10.1021/cm303376g
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 新規な硫黄架橋W字型パイ共役系化合物の合成およびそのキャリア輸送特性 (2014)
  • Author(s): 山元明人，三津井親彦，○岡本敏宏，山岸正和，松井弘之，佐藤寛泰，山野昭人，竹谷純一
  • Organizer: 日本化学会第94春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学 東山キャンパス
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] アルキル置換セレン架橋V字型分子における特異な集合体構造変化 (2014)
  • Author(s): ○三津井親彦，岡本敏宏，山岸正和，中村健一，佐藤寛泰，山野明人，竹谷純一
  • Organizer: 日本化学会第94春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学 東山キャンパス
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] V, WおよびN字型半導体分子の固体バンド計算と単結晶移動度の比較 (2014)
  • Author(s): ○松井弘之，岡本敏宏，山岸正和，三津井親彦，佐藤寛泰，山野昭人，竹谷純一
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 湘南キャンパス
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] 酸素架橋屈曲N字型パイ共役系分子群の集合体構造ならびにキャリア輸送特性 (2014)
  • Author(s): ○岡本敏宏，三津井親彦，山岸正和，中村健一，中原勝正，添田淳史，広瀬友里，佐藤寛泰，山野昭人，竹谷純一
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学 相模原キャンパス
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] アルキル置換セレン架橋V字型パイ共役系分子の特異な集合体構造変化とキャリア輸送特性 (2014)
  • Author(s): ○三津井親彦，岡本敏宏，山岸正和，中村健一，佐藤寛泰，山野昭人，竹谷純一
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学 相模原キャンパス
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] 極薄ゲート絶縁膜上の塗布型有機単結晶トランジスタ (2014)
  • Author(s): ○鶴見淳人，Atefeh Amin，岡本敏宏，瀧宮和男，松井弘之，Marcus Halik，竹谷純一
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学 相模原キャンパス
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] 塗布法により作製された高平滑なゲート電極を有する高性能有機トランジスタ (2014)
  • Author(s): ○松本孝典，宇野真由美，金岡祐介，片山雅之，加藤哲弥，岡本敏宏，三津井親彦，竹谷純一
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学 相模原キャンパス
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] 短チャネル・高移動度有機塗布結晶トランジスタを用いた高速整流素子 (2014)
  • Author(s): ○宇野真由美，金岡祐介，車溥相，三津井親彦，岡本敏宏，竹谷純一
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学 相模原キャンパス
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] ウェットエッチにより作製したトップコンタクト金電極を有する短チャネル・高移動度有機トランジスタ (2013)
  • Author(s): ○中山健吾，植村隆文，宇野真由美，加藤哲弥，片山雅之，三津井親彦，岡本敏弘，竹谷純一
  • Organizer: 第74回応用物理学会 秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス
  • Year and Date: 20130916-20130920
• [Presentation] アルキル置換屈曲N字型パイ共役系分子群の集合体構造ならびにキャリア輸送特性 (2013)
  • Author(s): ○岡本敏宏，三津井親彦，山岸正和，松下武司，広瀬友里，中原勝正，添田淳史，佐藤寛泰，山野昭人，植村隆文，竹谷純一
  • Organizer: 第74回応用物理学会 秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス
  • Year and Date: 20130916-20130920
• [Presentation] アルキル置換含カルコゲノフェンV字型縮環パイ共役系分子群のナノ構造体と電子機能物性 (2013)
  • Author(s): ○三津井親彦，岡本敏宏，山岸正和，松下武司，中原勝正，広瀬友里，添田淳史，佐藤寛泰，山野昭人，植村隆文，竹谷純一
  • Organizer: 第62回高分子討論会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] 新規屈曲N字型縮環パイ共役系分子の集合体構造ならびに有機トランジスタへの応用 (2013)
  • Author(s): ○岡本敏宏，三津井親彦，山岸正和，松下武司，広瀬友里，中原勝正，添田淳史，佐藤寛泰，山野昭人，植村隆文，竹谷純一
  • Organizer: 第62回高分子討論会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] 新規屈曲型縮環パイ共役系分子群の構造と塗布型有機トランジスタへの応用 (2013)
  • Author(s): ○岡本敏宏，三津井親彦，山岸正和，松下武司，広瀬友里，添田淳史，中原勝正，佐藤寛泰，山野昭人，植村隆文，竹谷純一
  • Organizer: 第24回 基礎有機化学討論会
  • Place of Presentation: 学習院大学目白キャンパス
  • Year and Date: 20130905-20130907
• [Presentation] アルキル置換含カルコゲノフェンV字型縮環パイ共役系分子群の構造と電荷輸送特性 (2013)
  • Author(s): ○三津井親彦，岡本敏宏，山岸正和，松下武司，中原勝正，広瀬友里，添田淳史，佐藤寛泰，山野昭人，植村隆文，竹谷純一
  • Organizer: 第24回 基礎有機化学討論会
  • Place of Presentation: 学習院大学目白キャンパス
  • Year and Date: 20130905-20130907
• [Presentation] 新規酸素架橋ビナフタレンV字型有機半導体材料の電荷輸送特性 (2013)
  • Author(s): ○中原勝正，三津井親彦，岡本敏宏，山岸正和，上野隆也，田中佑治，矢野将文，添田淳史，広瀬友里，佐藤寛泰，山野昭人，植村隆文，竹谷純一
  • Organizer: 第24回 基礎有機化学討論会
  • Place of Presentation: 学習院大学目白キャンパス
  • Year and Date: 20130905-20130907