低分子系および高分子系有機半導体のための大規模電子伝導計算理論

• 研究課題/領域番号: 15H05418
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 応用物性
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 石井 宏幸 筑波大学, 数理物質系, 助教 (00585127)
• 研究協力者: 柳澤 将 ; 竹谷 純一
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 20,670千円 (直接経費: 15,900千円、間接経費: 4,770千円); 2017年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2016年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円); 2015年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: 電気伝導 / 有機半導体 / シミュレーション / 低分子系 / 電子伝導 / 高分子系 / 電子伝導理論 / Hall効果 / 計算物理 / 基準振動解析 / 分子性固体 / 電子・電気材料 / 半導体物性 / 物性理論

研究成果の概要

有機半導体の電気伝導物性を原子レベルから理解・予測することは、高性能な新規有機半導体分子の開発に欠かせない。しかし、これまで国内外で行われてきた理論研究では、実験結果を説明できなかった。本研究では、新しい伝導計算法である「時間依存波束拡散法」を開発し、結晶構造の情報から電気伝導物性（移動度）の大きさや、温度依存性を定量的に評価することを可能にし、有機半導体に特有な電気伝導機構の理解を深めた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

プリンテッドエレクトロニクスのための新しい有機半導体の開発において、移動度はもっとも重要な物性の１つである。開発した「時間依存波束拡散法」は、分子が時々刻々変化するという特徴を取り込んだ新しい計算理論で、有機半導体のような柔らかい材料の移動度評価を可能にした。伝統的な無機半導体とは違う有機半導体に特徴的な伝導理論を構築したことは学術的意義は大きい。また、結晶構造予測と連携させて、分子の化学構造式から移動度の予測を可能にした。この計算技術の進歩は、材料開発のコスト削減など社会的意義も大きい。

研究成果

• [雑誌論文] Zigzag-Elongated Fused π-Electronic Core: A Molecular Design Strategy to Maximize Charge-Carrier Mobility (2017)
  • 著者名/発表者名: Akito Yamamoto, Yoshinori Murata, Chikahiko Mitsui, Hiroyuki Ishii,* Masakazu Yamagishi, Masafumi Yano, Hiroyasu Sato, Akihito Yamano, Jun Takeya, and Toshihiro Okamoto
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 5 号: 1 ページ: 1700317-1700317
  • DOI: 10.1002/advs.201700317
  • NAID: 120007133962
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High performance solution-crystallized thin-film transistors based on V-shaped thieno[3,2-f:4,5-f']-bis[1]benzothiophene semiconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: C.Mitsui, H. Tsuyama, R. Shikata, Y. Murata, H. Kuniyasu, M. Yamagishi, H. Ishii, A. Yamamoto, Y. Hirose, M. Yano, T. Takehara, T. Suzuki, H. Sato, A. Yamano, E. Fukuzaki, T. Watanabe, Y. Usami, J. Takeya, T. Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 5 号: 8 ページ: 1903-1909
  • DOI: 10.1039/c6tc04721a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxygen- and sulfur-bridged bianthracene v-shaped organic semiconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: Chikahiko Mitsui, Masakazu Yamagishi, Ryoji Shikata, Hiroyuki Ishii, Takeshi Matsushita, Katsumasa Nakahara, Masafumi Yano, Hiroyasu Sato, Akihito Yamano, Jun Takeya, and Toshihiro Okamoto
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 90 号: 8 ページ: 931-938
  • DOI: 10.1246/bcsj.20170030
  • NAID: 130005973689
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge transport calculations by a wave-packet dynamical approach using maximally localized Wannier functions based on density functional theory:Application to high-mobility organic semiconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Ishii, N. Kobayashi, K. Hirose
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 号: 3 ページ: 035433-035433
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.035433
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 有機半導体の電子伝導とその理論 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石井宏幸
  • 雑誌名: 電気学会誌 巻: 136 ページ: 434-437
  • NAID: 130005159296
  • 査読あり
• [学会発表] 低分子系および高分子系有機半導体におけるキャリア伝導計算 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石井宏幸、新津直幸、小林伸彦、広瀬賢二、渡邉峻一郎、岡本敏宏、竹谷純一
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年第73回年次大会 東京理科大学 野田キャンパス 2018年3月22日～25日
• [学会発表] 有機半導体の有効質量におけるNHOMOの効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒田悠暉、石井宏幸、小林伸彦
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年第73回年次大会 東京理科大学 野田キャンパス 2018年3月22日～25日
• [学会発表] 機械学習による有機半導体の構造研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 新津直幸、石井宏幸、小林伸彦、広瀬賢二、熊谷翔平、鶴見淳人、渡邉峻一郎、岡本敏宏、竹谷純一
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年第73回年次大会 東京理科大学 野田キャンパス 2018年3月22日～25日
• [学会発表] 有機半導体の電子伝導計算のための波束拡散法とTransient localization model (2017)
  • 著者名/発表者名: 石井宏幸、小林伸彦、広瀬賢二
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス、大阪府豊中市
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 第一原理計算に基づく量子波束ダイナミクスを用いた様々な有機半導体の移動度評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石井宏幸、小林伸彦
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜、神奈川県横浜市
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] Evaluation of Mobility for Various Organic Semiconductors using Quantum Dynamics based on First-Principles Calculations (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Ishii, N. Kobayashi and K. Hirose
  • 学会等名: 9th International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT2017), Suntec, Singapore, Jun. 18th - 23rd, 2017.
  • 国際学会
• [学会発表] 波束拡散法によるカーボンナノチューブと有機半導体の電子伝導計算 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石井宏幸、小林伸彦、広瀬賢二
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会 岩手大学 上田キャンパス 2017年9月21日-9月24日
• [学会発表] 基準振動解析を用いた有機半導体のキャリア伝導計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石井宏幸、小林伸彦、広瀬賢二
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学 角間キャンパス、石川県金沢市
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Charge transport calculations using wave-packet dynamics based on density functional theory for organic semiconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Ishii
  • 学会等名: EMN Meeting on Organic Electronics and Photonics
  • 発表場所: San-Sebastian, Spain
  • 年月日: 2016-09-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高移動度有機半導体開発のための大規模伝導計算 ～揺らぐ分子・結晶構造中の電子の流れ～ (2016)
  • 著者名/発表者名: 石井宏幸
  • 学会等名: 2016年第11回有機デバイス院生研究会
  • 発表場所: 千葉大学 西千葉キャンパス、千葉県千葉市
  • 年月日: 2016-07-06
  • 招待講演
• [学会発表] 高移動度有機半導体開発のための大規模伝導計算 ～揺らぐ分子・結晶構造中の電子の流れ～ (2015)
  • 著者名/発表者名: 石井宏幸
  • 学会等名: 5th CSJ化学フェスタ 2015
  • 発表場所: タワーホール船堀（東京都、江戸川区）
  • 年月日: 2015-10-13
  • 招待講演
• [学会発表] Transport calculations of charge carrier coupled with molecular vibrations of organic semiconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Ishii, Nobuhiko Kobayashi, Kenji Hirose
  • 学会等名: European Conference on Surface Science (ECOSS-31)
  • 発表場所: バルセロナ（スペイン）
  • 年月日: 2015-08-31
  • 国際学会
• [図書] Molecular technology: Energy Innovation (2018)
  • 著者名/発表者名: Editor: Hisashi Yamamoto, Takashi Kato 第１章執筆 Hiroyuki Ishii
  • 総ページ数: 400
  • 出版者: Wiley
  • ISBN: 9783527802784
• [備考] 石井宏幸のホームページ
  • URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ishii/index.html
• [備考] 石井宏幸のホームページ
  • URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ishii/
• [備考] 石井宏幸のホームページ
  • URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ishii/index.html#achievement