| 研究課題/領域番号 |
15H02196
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
瀧宮 和男 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, グループディレクター (40263735)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 有機半導体骨格 / 有機トランジスタ / 有機太陽電池 / 結晶構造解析 / 分子間相互作用 |
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| 研究実績の概要 |
申請者は有機合成化学を基盤に有機半導体材料の開発と有機トランジスタ、有機薄膜太陽電池などへの応用を行ってきた中で、従来の枠に囚われない未踏有機半導体骨格の探索、及び、それらの構造、電子状態を活かしつつ材料へと展開すること、さらには、薄膜中での材料の高次構造を制御することの重要性を認識してきた。これを受け，本研究では未踏有機半導体骨格の開発に焦点を当て、それらの設計・合成・応用を行うことを第一の目的とする。
次に，薄膜中の分子配列、配向を分子設計の段階で制御することを目指す。本研究では、分子設計、精密有機合成、単結晶構造解析、薄膜構造解析、デバイス作製評価の異なる手法を用い研究を進めていき、最終的には、未踏骨格開発と高次構造の制御と共に、高性能トランジスタや有機薄膜太陽電池の実現に資する有機半導体の開発を行うことを目指している。
初年度の平成27年度は、新規なn型未踏有機半導体骨格を標的分子として合成を中心に研究に着手し、既開発のナフトジチオフェンジイミド（NDTI）の簡便合成法と誘導体化法の開発、新規骨格であるナフトチオフェンイミド（NTI）の開発と応用展開、さらにはアセンジチオフェンジオンの開発など、当初標的としていた骨格の合成を達成した。また、従来から検討していたナフトビスチアジアゾール（NTz）、及びナフトビスオキサジアゾール（NOz）の開発と応用についても検討し、有機薄膜太陽電池において高い効率を実現するに至っている。一方、有機半導体分子の構造をもとに分子配列を制御する試みにも着手しており、NDTIへの選択的な置換基の導入により二次元的分子配列を実現し、電界効果トランジスタにおいて高い電子移動度が得られることなどを明らかにしている。これらの成果は、論文として学術誌に報告し、また、学会等でも広く発表する中で高い評価を得ている。
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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
今年度、新規なn型未踏有機半導体骨格を標的分子として合成研究に着手し、1) 既に開発していたナフトジチオフェンジイミド（NDTI）誘導体の簡便合成法と修飾法の開発、2) 一連のアセンジチオフェンジオンの合成、電子状態解析、およびポリマー半導体への展開、3) ナフトチオフェンジイミド（NTI）の現実的な合成法の開発、4) ナフトビス-オキサジアゾール、セレナジアゾールの開発とポリマー半導体への展開、などの未踏半導体骨格の開発と展開について実施することが出来た。
以上はいずれも当初今年度に合成を計画した骨格であり、さらに、これらの未踏半導体骨格を用いた材料の薄膜構造の制御を試みについても成果を得た。例えば、1) NDTI骨格に塩素を導入することで分子間相互作用の様式を変化させ、材料の電子構造を擬二次元的にすることで、移動度を一桁以上改善し、大気中で安定なn型FETで移動度0.8 cm2/Vsを達成、2) 既に開発していたp型半導体であるDNTTの可溶性と結晶性を両立できる分子修飾法を見出し、塗布トランジスタにより2.0 cm2/Vsを超える移動度を実現、3) NDTIを基盤として、低LUMO半導体ポリマーを開発。さらに可溶性アルキル基の形状を変化せることで、薄膜での電界効果移動度、電子ドープ後の伝導度、熱電特性が大きく変化、など、今後研究を進めていくうえで重要な知見である。
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| 今後の研究の推進方策 |
初年度において、複数の電子不足未踏有機半導体骨格を開発することが出来たので、これらを利用して材料として利用できる、低分子から高分子半導体までの材料展開とそれらのデバイス応用を検討する。中でも全くの新規骨格として開発できた上記NTIは一か所のみのπ拡張部位を有することから、オリゴマーや樹状高分子材料における電子不足末端としての利用が期待できる。これにより特徴的な共役骨格に電子不足性を導入することが可能となり、例えば、二次元的にπ電子系が拡張した平面構造のオリゴマーや三次元的なσ骨格の末端にペンダントしたような分子構造を構築でき、特異な分子形状を利用した薄膜中での分子配向制御への展開を行う。さらにこのような分子形状が有機する分子配向の調査を単結晶X線構造解析や薄膜のXRD測定などにより行い、構造と凝集状態での分子配向の相関について、検討を行う。
これらに加え、新たに開発した分子群のデバイスへの応用を検討する。本研究では電子不足未踏骨格の開発に主眼を置いており、n型薄膜トランジスタ用材料、両極性材料、さらには、薄膜太陽電池におけるn型半導体への応用を中心に検討する。中でも、最近低分子n型半導体の有機薄膜太陽電池への応用で高い特性が報告されており、本研究で開発された電子不足骨格はこのような用途に対しても応用可能と考えられる。
上記の分子構造制御による配向制御法と合わせて、デバイス応用に対して望ましい分子配向を取ることが出来るような分子を設計することで、高い特性が得られるような分子群を開発する。
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