高移動度環状電子輸送材料群の開発と自己組織化による機能発現

• 研究課題/領域番号: 15J08167
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: デバイス関連化学
• 研究機関: 山形大学
• 研究代表者: 渡邊 雄一郎 山形大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2017年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2016年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2015年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 有機EL / n型有機半導体 / 分子配向 / 水素結合 / ピリジン / 電子輸送材料 / ターピリジン / ピリジン環

研究実績の概要

有機半導体素子の高性能化の手段のひとつに弱い相互作用を利用した能動的な分子配向制御がある。平滑な非晶質膜が必要となる有機EL素子では、結晶化を抑制しつつ配向制御を行う必要がある。初年度から、有機ELデバイスの高性能化に資する一連のピリジン系電子輸送材料を開発してきた。本分子群はピリジン環のCH/N水素結合により、薄膜中で基板に対して水平配向を示すことを多入射角分光エリプソメトリーにより明らかにしてきた。
そこで最終年度である平成29年度は、自己組織化に寄与する分子間水素結合能の起源の探求を目的に研究を行った。分子末端に施したピリジル基の結合位置と分子主骨格形状が与える影響をX線結晶構造解析、多入射角分光エリプソメトリー、および放射光による微小角入射X線回折法(GIWAXD)を用いて体系的に解析した。GIWAXDにより得られた回折ピークの方位角分布と分子間距離の定量的な情報が、精度の高い分子設計指針を与えることを見出した。研究の結果、本系では平面性の高い母骨格を有していても配向の異方性は発現せず、多点に働くピリジル基の弱い分子間水素結合能を付与することで揺らぎの小さい異方的な水平配向膜を形成することが明らかとなった。本分子設計指針を実証する目的でより緻密に分子配向を制御したオリゴピリジンを開発した結果、電界強度5.0 × 10^5 V/cm時に1.8 × 10^(-3) cm2/Vsの電子移動度を達成した。これは、有機EL用n型材料では最高レベルの値である。また、本電子輸送材料の知見を活かし、電子注入材料ビピリジルフェノラートリチウム錯体の開発にも成功した。今後、CH/N水素結合に代表される弱い分子間相互作用を積極的に活用し、更なる高性能有機半導体の創出が期待できる。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] A Series of Lithium Pyridyl Phenolate Complexes with a Pendant Pyridyl Group for Electron-Injection Layers in Organic Light-Emitting Devices (2017)
  • 著者名/発表者名: Ohisa Satoru、Karasawa Taichiro、Watanabe Yuichiro、Ohsawa Tatsuya、Pu Yong-Jin、Koganezawa Tomoyuki、Sasabe Hisahiro、Kido Junji
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 9 号: 46 ページ: 40541-40548
  • DOI: 10.1021/acsami.7b13550
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fundamental functions of peripheral and core pyridine rings in a series of bis-terpyridine derivatives for high-performance organic light-emitting devices. (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Watanabe, R. Yoshioka, Hisahiro Sasabe, T. Kamata, H. Katagiri, D. Yokoyama, J. Kido.
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 4 号: 38 ページ: 8980-8988
  • DOI: 10.1039/c6tc02631a
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Synthesis, Properties, and OLED Characteristics of 2,2'- Bipyridine-Based Electron-Transport Materials: Synergistic Effect of Molecular Shape Anisotropy and a Weak Hydrogen- Bonding Network on Molecular Orientation (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Watanabe, H. Sasabe, D. Yokoyama, T. Beppu, H. Katagiri, J. Kido.
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: in print 号: 17 ページ: 3699-3704
  • DOI: 10.1039/c5tc03737a
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A series of Fluorine-Substituted Phenylpyridine-Based Electron-Transporters for High Performance Blue Phosphorescent OLEDs (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kamata, H. Sasabe, Y. Watanabe, D. Yokoyama, H. Katagiri, J. Kido,
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 4 号: 5 ページ: 1104-1110
  • DOI: 10.1039/c5tc03879k
  • 査読あり
• [学会発表] ピリジン系電子輸送材料の能動的分子配向制御とGIWAXDによる検証 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡邊雄一郎, 笹部久宏, 小金澤智之, 片桐洋史, 大久哲, 横山大輔, 城戸淳二
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] GIWAXSを用いたフェニルピリジン系電子輸送材料の凝集状態解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡邊雄一郎, 笹部久宏, 小金澤智之, 片桐洋史, 大久哲, 横山大輔, 城戸淳二
  • 学会等名: 第25回有機EL討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 異なる末端ピリジン置換位置とキレート相互作用を有するリチウムビピリジルフェノラート錯体 の有機EL素子の電子注入層への応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大久哲, 柄澤太一郎, 渡邊雄一郎, 大澤達矢, 夫勇進, 笹部久宏, 城戸淳二
  • 学会等名: 第66回高分子討論会
• [学会発表] 高効率熱活性化遅延蛍光有機ELを実現するターピリジン含有電子材料の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡邊雄一郎, 吉岡良, 笹部久宏, 横山大輔, 城戸淳二
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 異なる末端ピリジン置換位置を持つビピリジルフェノラートリチウム錯体の有機EL素子への応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大久哲, 柄澤太一郎, 渡邊雄一郎, 大澤達矢, 夫勇進, 笹部久宏, 城戸淳二
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] A novel series of hole transporters based on a benzothienobenzothiophene (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Kikuchi, Hisahiro Sasabe, Yuichiro Watanabe, Junji Kido
  • 学会等名: International Conference of Smart Systems Engineering 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Development of highly oriented electron-transporters using weak hydrogen bonds for low operating voltage OLEDs (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Watanabe, Hisahiro Sasabe, Teruo Beppu, Hiroshi Katagiri, Daisuke Yokoyama, Junji Kido
  • 学会等名: The 2017 "Physical Organic Chemistry" Gordon Research Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Development of highly oriented electron-transporters using weak hydrogen bonds for low operating voltage OLEDs (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Watanabe, Hisahiro Sasabe, Teruo Beppu, Hiroshi Katagiri, Daisuke Yokoyama, Junji Kido
  • 学会等名: The 2017 "Physical Organic Chemistry" Gordon Research Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] Highly Orientated Electron-Transporters Using Weak Hydrogen Bonds for Low Operating Voltage Organic Light-Emitting Devices (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Watanabe, H. Sasabe, T. Beppu, H. Katagiri, D. Yokoyama, J. Kido
  • 学会等名: The Purdue J-1 International Scholar Research Symposium
  • 発表場所: アメリカ合衆国、ウェストラファイエット、パデュー大学
  • 国際学会
• [学会発表] Highly Orientated Electron-Transporters Using Weak Hydrogen Bonds for Low Operating Voltage Organic Light-Emitting Devices (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Watanabe, H. Sasabe, T. Beppu, H. Katagiri, D. Yokoyama, J. Kido
  • 学会等名: The 34th Annual H. C. Brown Lectures in Organic Chemistry
  • 発表場所: アメリカ合衆国、ウェストラファイエット、パデュー大学
  • 国際学会
• [学会発表] 分子形状に異方性を施した2,2′-ビピリジン誘導体電子輸送材料の合成，物性及び有機EL特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 渡邊雄一郎、笹部久宏、横山大輔、別部輝生、片桐洋史、城戸淳二
  • 学会等名: 日本化学会 第96春季年会
  • 発表場所: 京田辺、同志社大学
  • 年月日: 2016-03-25
• [学会発表] 分子内・分子間水素結合を利用した水平配向性ビピリジン誘導体電子輸送材料の開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 渡邊雄一郎、笹部久宏、大久哲、小金澤智之、片桐洋史、横山大輔、城戸淳二
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京、東京工業大学
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Synthesis, Properties, and OLED Characteristics of 2,2′-Bipyridine-Based Electron-Transport Materials: Synergistic Effect of Molecular Shape Anisotropy and a Weak Hydrogen-Bonding Network on Molecular Orientation (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Watanabe, H. Sasabe, D. Yokoyama, T. Beppu, H. Katagiri, Y.-J. Pu, J. Kido
  • 学会等名: CEMS International Symposium on Supramolecular Chemistry & Functional Materials 2016
  • 発表場所: 本郷, 東京大学
  • 年月日: 2016-01-13
  • 国際学会
• [学会発表] Highly Orientated Electron-Transport Materials Using Weak Hydrogen Bonds for Organic Light-Emitting Devices (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Watanabe, H. Sasabe, T. Beppu, H. Katagiri, D. Yokoyama, J. Kido
  • 学会等名: Notre Dame-Purdue Symposium on Soft Matter & Polymers
  • 発表場所: アメリカ合衆国、ノートルダム、ノートルダム大学
  • 国際学会
• [学会発表] Development of 2,2′-bipyridine-based electron-transporters that can form weak intermolecular hydrogen-bond network for high performance organic LEDs (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Watanabe, H. Sasabe, D. Yokoyama, T. Beppu, H. Katagiri, Y.-J. Pu, J. Kido
  • 学会等名: Materials Research Society Fall Meeting
  • 発表場所: アメリカ合衆国、ボストン、Hynes コンベンションセンター
  • 年月日: 2015-11-27
  • 国際学会
• [学会発表] 弱い分子間水素結合能を有する2,2′-ビピリジン誘導体電子輸送材料の開発と有機EL特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡邊雄一郎、笹部久宏、横山大輔、別部輝生、片桐洋史、夫勇進、城戸淳二
  • 学会等名: 第64回高分子討論会
  • 発表場所: 宮城、東北大学
  • 年月日: 2015-09-15
• [学会発表] Simultaneous manipulation of intramolecular and intermolecular hydrogen bonds in n-type organic semiconductor layers: Rrealization of horizontal orientation in OLEDs (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Watanabe, H. Sasabe, D. Yokoyama, T. Beppu, H. Katagiri, Y.-J. Pu, J. Kido
  • 学会等名: 12th International Symposium on Functional π-Electron Systems
  • 発表場所: アメリカ合衆国、シアトル、ワシントン大学
  • 年月日: 2015-07-19
  • 国際学会
• [学会発表] 分子内／分子間の弱い水素結合を有する, 高配向性n型有機半導体材料の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 渡邊雄一郎、笹部久宏、横山大輔、別部輝生、片桐洋史、夫勇進、城戸淳二
  • 学会等名: 高分子学会第64回年次大会
  • 発表場所: 北海道、札幌コンベンションセンター
  • 年月日: 2015-05-27
• [備考] 山形大学 城戸・笹部・千葉研究室
  • URL: http://oled.yz.yamagata-u.ac.jp
• [備考] 山形大学 フロンティア有機材料システム創成フレックス大学院 (博士課程教育リーディングプログラム)
  • URL: http://ifrontweb.yz.yamagata-u.ac.jp
• [備考] 山形大学 有機エレクトロニクス研究センター
  • URL: http://organic.yz.yamagata-u.ac.jp/index.html
• [備考] 山形大学 有機材料システムフロンティアセンター
  • URL: http://from.yz.yamagata-u.ac.jp
• [備考] 山形大学 城戸・笹部研究室
  • URL: http://oled.yz.yamagata-u.ac.jp
• [備考] 山形大学 フロンティア有機材料システム創成フレックス大学院（博士課程教育リーディングプログラム）
  • URL: http://ifrontweb.yz.yamagata-u.ac.jp
• [備考] 山形大学 有機エレクトロニクス研究センター
  • URL: http://organic.yz.yamagata-u.ac.jp/index.html
• [備考] 山形大学 有機材料システムフロンティアセンター
  • URL: http://from.yz.yamagata-u.ac.jp
• [産業財産権] 新規ベンゾチエノベンゾチオフェン誘導体、それを用いた正孔輸送材料及び有機EL素子 (2017)
  • 発明者名: 笹部久宏、城戸淳二、菊地貴良、渡邊雄一郎
  • 権利者名: 笹部久宏、城戸淳二、菊地貴良、渡邊雄一郎
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2017-02-10
• [産業財産権] 新規ターピリジン誘導体、及びそれを用いた有機EL素子 (2015)
  • 発明者名: 笹部久宏、城戸淳二、吉岡良、渡辺雄一郎
  • 権利者名: 笹部久宏、城戸淳二、吉岡良、渡辺雄一郎
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2015-07-15
• [産業財産権] 新規リチウム錯体化合物、それよりなる電子注入材料及びそれを用いた有機EL素子 (2015)
  • 発明者名: 笹部久宏、城戸淳二、柄沢太一郎、渡辺雄一郎
  • 権利者名: 笹部久宏、城戸淳二、柄沢太一郎、渡辺雄一郎
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2015-07-31