非対称置換ー非対称骨格型有機半導体の開発

• 研究課題/領域番号: 21K05209
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分35030:有機機能材料関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 井上 悟 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (00799562)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 有機半導体 / 有機エレクトロニクス / クリスタルエンジニアリング / プリンテッドエレクトロニクス / 有機トランジスタ / 層状結晶性 / アルキル基 / 偶奇効果 / チエノアセン / 結晶構造 / 分子合成

研究開始時の研究の概要

本研究では、非対称縮環構造を持つπ電子系骨格に多彩な化学修飾を施した、新たな高性能有機半導体の創製を目指す。これまで物質開発が見過ごされてきたこれら化合物群の合成手法を確立し、それら分子群の結晶構造解析およびデバイス物性の評価を行うことで、結晶構造－デバイス物性相関を系統的・網羅的に明らかにする。本研究を通して、非対称π電子分子群の半導体性能発現の鍵となる、高秩序層状構造構築のための新たな指導原理を確立するとともに、プリンテッドエレクトロニクス実現に最適な半導体材料の開発に取り組む。

研究成果の概要

本研究では、優れた実用特性を有する塗布型有機半導体を開発することを目的に、非対称縮環構造を有するチエノアセンπ電子骨格を非対称置換した棒状分子系に着目した材料開発を行った。π電子骨格の検討によって非対称かつ縮環が拡張された構造がキャリア輸送性と熱耐久性の両立にきわめて効果的であることを明らかにするとともに、長鎖アルキル基の導入による層状結晶性の増強効果を明らかにした。さらに、置換基の運動自由度の制御による液晶相凍結構造の形成や、立体効果を付与による対称性が破れた極性結晶構造形成と非線形光学応答性などの、新デバイス構造の創発につながる知見を得ることができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で明らかにした層状分子配列技術は、半導体の分子配列がデバイス性能に直結する有機半導体研究にとって、きわめて重要な学理となる。特に今回の成果は、有機半導体として有望なπ電子骨格の選定拡張性を大幅に広げるものであり、有機物質本来の強みである多彩な物質設計性を、より効果的に活用した材料開発を促進するものと期待される。さらに、本研究によって明らかにした新たな層状結晶とその構築原理は、液晶の持つ柔軟な性質と有機半導体を統合したソフトマターエレクトロニクス、光機能と電子機能が融合したオプトエレクトロニクスといった、融合デバイス創発に向けた手掛かりとなることが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Control of Polar/Antipolar Layered Organic Semiconductors by the Odd‐Even Effect of Alkyl Chain (2024)
  • 著者名/発表者名: Satoru Inoue, Toshiki Higashino, Kiyoshi Nikaido, Ryo Miyata, Satoshi Matsuoka, Mutsuo Tanaka, Seiji Tsuzuki, Sachio Horiuchi, Ryusuke Kondo, Ryoko Sagayama, Reiji Kumai, Daiki Sekine, Takayoshi Koyanagi, Masakazu Matsubara, and Tatsuo Hasegawa
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 11 号: 13 ページ: 2308270-2308270
  • DOI: 10.1002/advs.202308270
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Stability of ternary interfaces and its effects on ideal switching characteristics in inverted coplanar organic transistors (2024)
  • 著者名/発表者名: Murata Keito、Kitahara Gyo、Inoue Satoru、Higashino Toshiki、Matsuoka Satoshi、Arai Shunto、Kumai Reiji、Hasegawa Tatsuo
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 21 号: 2 ページ: 024005-024005
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.21.024005
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Temperature-induced transformation between layered herringbone polymorphs in molecular bilayer organic semiconductors (2023)
  • 著者名/発表者名: Arai Shunto、Inoue Satoru、Tanaka Mutsuo、Tsuzuki Seiji、Kondo Ryusuke、Kumai Reiji、Hasegawa Tatsuo
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 7 号: 2 ページ: 025602-025602
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.025602
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mixing‐Induced Orientational Ordering in Liquid‐Crystalline Organic Semiconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Nikaido Kiyoshi、Inoue Satoru、Kumai Reiji、Higashino Toshiki、Matsuoka Satoshi、Arai Shunto、Hasegawa Tatsuo
  • 雑誌名: Advanced Materials Interfaces 巻: 9 号: 35 ページ: 2201789-2201789
  • DOI: 10.1002/admi.202201789
  • 査読あり
• [雑誌論文] Insulating Polymer Blend Organic Thin-Film Transistors Based on Bilayer-Type Alkylated Benzothieno[3,2-<i>b</i>]naphtho[2,3-<i>b</i>]thiophene (2022)
  • 著者名/発表者名: Miyata Ryo、Inoue Satoru、Nakajima Ken、Hasegawa Tatsuo
  • 雑誌名: ACS Applied Materials &amp; Interfaces 巻: 14 号: 15 ページ: 17719-17726
  • DOI: 10.1021/acsami.2c01676
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emerging Disordered Layered-Herringbone Phase in Organic Semiconductors Unveiled by Electron Crystallography (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoru Inoue, Kiyoshi Nikaido, Toshiki Higashino, Shunto Arai, Mutsuo Tanaka, Reiji Kumai, Seiji Tsuzuki, Sachio Horiuchi, Haruki Sugiyama, Yasutomo Segawa, Kiyofumi Takaba, Saori Maki-Yonekura, Koji Yonekura, Tatsuo Hasegawa
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 34 号: 1 ページ: 72-83
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c02793
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 層状有機半導体Ph-BTNT-Cn系のCn偶奇効果による面内極性/反極性配列の制御 (2024)
  • 著者名/発表者名: 井上悟、東野寿樹、二階堂圭、都築誠二、堀内佐智雄、長谷川達生
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 層状有機半導体pTol-BTBT-Cn系のCn偶奇効果とTFT特性との相関 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上悟、東野寿樹、二階堂圭、宮田稜、松岡悟志、田中睦生、都築誠二、堀内佐智雄、近藤隆祐、佐賀山遼子、熊井玲児、関根大輝、小柳恭徳、松原正和、長谷川達生
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] モノアルキル BTNT 系有機半導体の長鎖置換による 移動度向上効果Ⅱ (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 悟、東野 寿樹、田中 睦生、村田 啓人、宮田 稜、荒井 俊人、都築 誠二、堀内 佐智雄、長谷川 達生
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] モノアルキル BTNT 系層状有機半導体のアルキル置換効果 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 悟、東野 寿樹、田中 睦生、村田 啓人、宮田 稜、荒井 俊人、松井 弘之、堀内 佐智雄、熊井 玲児、都築 誠二、長谷川 達生
  • 学会等名: 日本化学会第103春季年会
• [学会発表] 非対称置換層状有機半導体の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 悟
  • 学会等名: 第7回 材料相模セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 層状有機半導体 mono-Cn-BTNT 系における キャリア輸送性能の長鎖アルキル置換効果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上 悟、東野 寿樹、田中 睦生、村田 啓人、宮田 稜、荒井 俊人、都築 誠二、堀内 佐智雄、長谷川 達生
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 液晶性半導体PE-BTBT-Cnの混合誘起配向秩序化と相競合の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 二階堂 圭、井上 悟、東野 寿樹、熊井 玲児、松岡 悟志、荒井 俊人、長谷川 達生
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 層状有機半導体pTol-BTBT-Cnの分子膜積層様式制御と 半導体特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 荒井 俊人、吉田 海琉、井上 悟、関根 大輝、小柳 恭徳、松原 正和、長谷川 達生
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Ph-BTBTT-Cn系有機半導体の分子構造異性による結晶 構造の転換 (2022)
  • 著者名/発表者名: 東野 寿樹、井上 悟、荒井 俊人、松井 弘之、都築 誠二、高場 圭章、眞木 さおり、黒河 博文、米倉 功治、長谷川 達生
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] BTNT系有機半導体における極性型層間積層様式の発現 と制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上 悟、二階堂 圭、宮田 稜、東野 寿樹、田中 睦 生、松岡 悟志、荒井 俊人、都築 誠二、熊井 玲児、堀内 佐智雄、長谷川 達生
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 新規有機半導体・pTol-BTBT-Cnにおける層状構造の偶奇効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上 悟、二階堂 圭、宮田 稜、東野 寿樹、田中 睦生、松岡 悟志、荒井 俊人、都築 誠二、熊井 玲児、堀内 佐智雄、長谷川 達生
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 有機半導体混合系における高移動度相の発現 (2021)
  • 著者名/発表者名: 二階堂 圭、井上 悟、松岡 悟志、 荒井 俊人、長谷川 達生
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 非対称骨格／非対称置換型分子Ph-BTBTT-Cnの高移動 度半導体特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 東野 寿樹、荒井 俊人、井上 悟、松井 弘之、長谷 川 達生
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 非対称置換BTBT-TCNQ誘導体によるドナーアクセプ ター型錯体の積層構造と分子間相互作用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松岡 悟志、小川 和馬、井上 悟、都築 誠二、東野 寿樹、堤 潤也、荒井 俊人、長谷川 達生
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会