| 研究課題/領域番号 |
22K14743
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分35030:有機機能材料関連
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| 研究機関 | 東京工業大学 (2023)
東京大学 (2022) |
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研究代表者 |
熊谷 翔平 東京工業大学, 物質理工学院, 特任准教授 (00838188)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | 有機半導体 / トランジスタ / 単結晶 / 電子伝導 / 分子動力学 / 結晶構造 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
相補型有機集積論理回路に実応用可能な，室温で10 cm2/Vsを超えるn型有機半導体の開発を目指す。特に，比較的嵩高く硬い脂環式化合物を置換基に用いることで，半強制的な電子輸送に適した結晶構造制御を目指す。また，単結晶トランジスタによる電子伝導性評価をおこなうことで構造物性相関を明らかにし，さらに計算化学の併用により将来の有機半導体材料開発に有用な側鎖データベースの構築を進める。
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| 研究実績の概要 |
本研究では，相補型有機集積論理回路へ応用可能な，室温で10(cm2/Vs)を超える高移動度n型有機半導体の開発を目指している。2年次は，1年次に得た知見を基に，直鎖・分岐炭化水素基を種々用いた置換シクロヘキシル基を有する含窒素パイ電子系分子群の合成と，単結晶構造解析，伝導計算およびデバイス評価を遂行した。以下，項目ごとに概要を述べる。
置換シクロヘキシル基を持つｎ型有機半導体の単結晶構造解析：種々の短い炭化水素基を持つシクロヘキシル類側鎖を合成・導入し，室温および低温での単結晶構造解析を実施した。炭化水素基の直鎖・分岐鎖の別から，室温において，シクロヘキシル基自身の等方的なレンガ塀様集合体構造への寄与と，それに拮抗する炭化水素基の構造的因子を明らかにした。等方的なレンガ塀様集合体構造は特に高移動度が期待されるため，本研究で特に有望なターゲットである。したがって，これに類する誘導体に特に着目し，電子輸送特性のさらなる調査を実施した。
静的・動的な伝導計算：単結晶データを基にした分子動力学シミュレーションおよびトランスファー積分の統計解析を実施し，化合物間の比較をおこなった。静的な集合体構造である単結晶構造およびその伝導計算からは，直鎖置換基の別による差は明確でなかったが，室温における動的な解析から，炭化水素基の鎖長が電子輸送特性に優劣を生じることが示唆された。
デバイス評価：一連の誘導体に関し，塗布結晶化による単結晶薄膜の形成とトランジスタ評価に成功した。いずれも3(cm2/Vs)超の，n型有機半導体として最高苦クラスの高移動度を発現することを明らかにしたが，現在のところ，動的な伝導計算による知見と合致する傾向について調査継続中である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
結晶構造制御・電子輸送能・デバイス応用性の観点で，シクロヘキシル基に対する炭化水素置換基の形状・嵩高さの影響を実験的・理論的に様々調査し，高移動度化に向けた知見を深めることができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
着目した含窒素パイ電子系骨格において特に有望な置換基系が絞れたため，その周辺の材料開発を進める。また，現在最良の分子を用いたデバイスプロセスと評価を追究することで，実現し得る最大の電子移動度探索を検討する。また並行して，一連の類縁体に関する動的な構造・電子輸送能の計算も進め，将来的な分子設計への鍵を模索する。
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