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新奇分子トポロジーを活用した有機半導体材料の創製と有機トランジスタへの展開

Research Project

Project/Area Number 18J22297
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Device related chemistry
Research InstitutionKyushu University
Research Fellow 森 達哉  九州大学, 大学院工学府, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY) 2018-04-25 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords有機トランジスタ / 有機薄膜太陽電池 / 電荷輸送 / 溶液プロセス / カルコゲン / ヘテロアセン / 分子間相互作用 / 高周期カルコゲン
Outline of Annual Research Achievements

本研究では新奇分子トポロジーを基盤とした高性能有機半導体の創出を目的とした。従来材料はパイ共役コアが一次元に伸長した対称性の高い骨格に基づいたものが多い。直線状の共役の拡大によりエネルギー準位の調整や高い結晶性の実現が容易であることなどのメリットがあるが、一方で溶解性が低下し分子設計が狭められる点が課題であった。したがって、従来研究とは一線を画す分子骨格に基づいて高い半導体性能を達成できれば大きな価値がある。
本研究はまずU字型骨格を有するヘテロアセンを創製した。これらの分子は高い溶解性と結晶性を兼ね備えており、簡便な溶液プロセスにより広範囲に渡って結晶性薄膜を形成することが可能であった。さらに固体中でユニークな二分子膜構造を形成していることが明らかになった。種々の実験や量子化学計算により、U字型の縮環様式が特異な凝集構造の形成に起因していることが分かった。これらの薄膜を活性層として用いた有機トランジスタはアモルファスシリコンに匹敵する優れたキャリア移動度を示した。
さらに、得られた知見をもとに有機薄膜電池のアクセプター材料の開発を行った。優れたキャリア移動度と吸収特性を示す多環縮環分子は広く用いられてきたが、ブレンド膜における適切なモルフォロジーの形成が課題となっていた。これまでの研究に基づき開発したヘリカルな分子形状を有する分子群は、単膜とブレンド膜の両方において適切な結晶性およびモルフォロジーが形成されていることが明らかになった。その結果、比較化合物を大きく上回る光電変換特性を示し、分子設計の有効性が示された。
以上のように、本研究ではこれまで注目されてこなかった新奇な分子トポロジーを基盤とした新しい設計指針を開拓することができた。当該分野における従来の課題を克服できるだけでなく、さらに多様な高性能有機半導体材料の開発に繋がると期待できる。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(10 results)

All 2021 2020 2019 2018

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] U-Shaped Heteroacenes Embedded with Heavy Chalcogen Atoms: Unique Bilayer Self-Organization of Crooked π-Cores Enabling Efficient Charge Transport2021

    • Author(s)
      Tatsuya Mori and Takuma Yasuda
    • Journal Title

      Advanced Electronic Materials

      Volume: 7 Pages: 2001052-2001052

    • DOI

      10.1002/aelm.202001052

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A Liquid-Crystalline Semiconducting Polymer Based on Thienylene-Vinylene-Thienylene: Enhanced Hole Mobilities by Mesomorphic Molecular Ordering and Thermoplastic Shape-Deformable Characteristics2020

    • Author(s)
      Tatsuya Mori, Hideaki Komiyama, Takahiro Ichikawa, and Takuma Yasuda
    • Journal Title

      Polymer Journal

      Volume: 52 Pages: 313-321

    • DOI

      10.1038/s41428-019-0282-4

    • NAID

      40022176436

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Development of Heavy Chalcogen-Embedded U-Shaped Heteroacenes Having Bilayer Self-Organization Capability2020

    • Author(s)
      Tatsuya Mori, Takuma Yasuda
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of U-shape heteroacenes containing heavy chalcogen atoms toward high-performance organic semiconductors2020

    • Author(s)
      Tatsuya Mori, Takuma Yasuda
    • Organizer
      日本化学会第100春季年会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] U字型チエノアセンの自己組織化構造の制御と溶液プロセスによる高性能有機電界効果トランジスタの開発2019

    • Author(s)
      森達哉、安田琢麿
    • Organizer
      第31回有機合成化学協会九州山口支部若手研究者のためのセミナー
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] U字型チエノアセンの自己組織化構造の制御と溶液プロセスによる高性能有機電界トランジスタの開発2019

    • Author(s)
      森達哉、安田琢麿
    • Organizer
      第29回万有福岡シンポジウム
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] アーチ形ヘテロアセン骨格を基盤とする新規有機半導体分子の開発と有機電界効果トランジスタへの応用2018

    • Author(s)
      森達哉、安田琢麿
    • Organizer
      第13回有機デバイス・物性院生研究会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Self-Organization of π-Extended Heteroacenes for Solution-Processable Organic Field-Effect Transistors2018

    • Author(s)
      Tatsuya Mori, Takuma Yasuda
    • Organizer
      14th International Conferences on Modern Materials & Technologies 2018 (CIMTEC 2018): 8th Forum on New Materials
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Arch-Shaped π-Extended Heteroacenes for Charge Transport Functional Materials2018

    • Author(s)
      Tatsuya Mori, Takuma Yasuda
    • Organizer
      The 3rd International Symposium on the Synthesis and Application of Curved Organic π-Molecules & Materials (CURO-π3)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Arch-Shaped Sulfur-Annulated Organic Semiconductors for Solution Processed Organic Field-Effect Transistors2018

    • Author(s)
      Tatsuya Mori, Takuma Yasuda
    • Organizer
      The 9th International Forum on Chemistry of Functional Organic Chemicals (IFOC-9)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2018-05-01   Modified: 2021-12-27  

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