分子軌道と集合状態を精密に制御した高性能新奇有機半導体材料の創製

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25810118
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 三津井 親彦 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特任助教 (00615346)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 有機電界効果トランジスタ / 有機単結晶 / 塗布プロセス / 分子軌道 / 集合体制御 / トランスファー積分 / 有効質量

Outline of Annual Research Achievements

有機半導体デバイスは環境負荷が小さい塗布プロセスで製造可能であり，機械的柔軟性といったユニークな特徴を持つため近年その社会的関心が集まっている．なかでも有機トランジスタの移動度が向上すれば，有機エレクトロニクスの市場も大規模に拡大する一方で，高い移動度と塗布プロセスに適合した化合物の溶解性，化学的かつ熱的安定性を兼ね揃えた半導体材料の開発が十分に進んでいない．
研究代表者は，本研究にあたり分子軌道と集合体構造を同時に制御可能な分子骨格として「分子中央に硫黄元素を導入したW字型分子：DNT-W」に着目し研究を展開した．これまでの研究で明らかとしたDNT-Wの特徴的な点は分子の長軸方向に対して同位相の軌道が広がっているため，反結合性軌道の寄与を受けにくいことが挙げられる．そこで，このようなパイ電子系の材料を塗布プロセス可能とし，さらに集合体構造を同時に制御できれば，実用的な用途を満たす材料開発の基盤構築につながると考えた．
はじめに，DNT-Wから直接位置選択的な官能基化が困難であるため，効率的な誘導体合成に向けた新たな合成法を開発した．鍵前駆体からクロスカップリング反応により様々な置換基を有する化合物を一挙に合成する事が可能となった．X線による単結晶構造解析を行ったところ，適切な位置にアルキル鎖を導入することによりコアのズレがない二次元伝導に理想的なヘリングボーン型の集合体構造を形成していることが明らかとなった．さらに，DNT-Wコアの中心間距離が置換基の導入により短くなり，トランスファー積分が増大していることが明らかとなった．そこで，溶液から高い配向性の結晶薄膜をエッジキャスト方により作成したところ，単分子レベルのステップが見えるほど平坦で高品質な単結晶薄膜が100μm以上で形成された．これに電極を蒸着しトランジスタを測定したところ，最高移動度10 cm2/Vsを達成した．

Research Products

• [Journal Article] High-Performance Solution Processable N-Shaped Organic Semiconducting Materials with Stabilized Crystal Phase (2014)
  • Author(s): Chikahiko Mitsui, Toshihiro Okamoto, Masakazu Yamaghishi, Junto Tsurumi, Kazumi Yoshimoto, Katsumasa Nakahara, Junshi Soeda, Yuri Hirose, Hiroyasu Sato, Akihito Yamano, Takafumi Uemura, Jun Takeya
  • Journal Title: Adv. Mater. Volume: 26 Pages: 4546-4551
  • DOI: DOI: 10.1002/adma.201400289
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] V-Shaped Organic Semiconducting Materials with High Emission and High Mobility (2014)
  • Author(s): Katsumasa Nakahara, Chikahiko Mitsui, Toshihiro Okamoto, Masakazu Yamaghishi, Hiroyuki Matsui, Takanari Ueno, Yuji Tanaka, Masafumi Yano, Takeshi Matsushita, Junshi Soeda, Yuri Hirose, Hiroyasu Sato, Akihito Yamano, Jun Takeya
  • Journal Title: Chem. Commun. Volume: 50 Pages: 5342-5344
  • DOI: DOI: 10.1039/c3cc47577h
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 高移動度を有する硫黄架橋N字型屈曲パイ共役系化合物群（２）：デバイス熱耐久性ならび集合体構造の温度依存性、日本化学会第95春季年会 (2015)
  • Author(s): 三津井親彦，青木佑司，吉本和美，山岸正和，武田広大，片山雅之，加藤哲弥，橋爪大輔，矢野将文，佐藤寛泰，山野昭人，竹谷純一，岡本敏宏
  • Organizer: 日本化学会第95春季年会
  • Place of Presentation: 日本大学（千葉県）
  • Year and Date: 2015-03-26 – 2015-03-30
• [Presentation] N字型屈曲パイ共役系材料が構築するナノ構造体と熱耐久性を有する有機トランジスタ (2014)
  • Author(s): 三津井親彦，岸柾之，橋爪大輔，山岸正和，佐藤寛泰，山野昭人， 竹谷純一，岡本敏宏
  • Organizer: 第63回高分子討論会
  • Place of Presentation: 長崎大学（長崎県）
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [Presentation] 熱ストレス耐久性を有する有機トランジスタに向けた屈曲N字型パイ電子系分子 (2014)
  • Author(s): 三津井親彦，岸柾之，矢澤宏次，山岸正和，橋爪大輔，佐藤寛泰，山野昭人， 竹谷純一，岡本敏宏
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道）
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] N字型屈曲パイ共役系分子が構築する集合体構造と熱ストレス耐久性有機トランジスタ (2014)
  • Author(s): 三津井親彦，岸柾之，橋爪大輔，矢澤宏次，山岸正和，佐藤寛泰，山野昭人，竹谷純一，岡本敏宏
  • Organizer: 第25回基礎有機化学討論会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県）
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-09
• [Presentation] acile Synthesis of V-shaped oxygen-bridged binaphthalene molecules and their applications to organic field-effect transistor (2014)
  • Author(s): Chikahiko Mitsui, Toshihiro Okamoto, Masakazu Yamagishi, Katsumasa Nakahara, Hiroyuki Matsui, Takanari Ueno, Yuji Tanaka, Masafumi Yano, Junshi Soeda, Yuri Hirose, Hiroyasu Sato, Akihito Yamano, Jun Takeya
  • Organizer: ICSM2014
  • Place of Presentation: Turku（Finland）
  • Year and Date: 2014-06-30 – 2014-07-05
• [Presentation] Structures and charge transporting properties of V-shaped oxygen-bridged binaphthalenes organic semiconductors (2014)
  • Author(s): Chikahiko Mitsui, Toshihiro Okamoto, Masakazu Yamagishi, Katsumasa Nakahara, Hiroyuki Matsui, Yuri Hirose, Hiroyasu Sato, Akihito Yamano, Takafumi Uemura, Jun Takeya
  • Organizer: MRS Spring Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco（米国）
  • Year and Date: 2014-04-21 – 2014-04-25