| 研究課題/領域番号 |
15H02196
|
|---|
| 研究機関 | 東北大学 |
|---|
研究代表者 |
瀧宮 和男 東北大学, 理学研究科, 教授 (40263735)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
|
| キーワード | 有機半導体 / 結晶構造制御 / 新規骨格 |
|---|
| 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、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。昨年度までに開発した未踏n型有機半導体骨格であるナフトチオフェンイミド（NTI）の更なる応用展開について検討し、二量体やアクプター－ドナー－アクセプター（D-A-D）型のオリゴマーへと誘導することで、高移動度有機薄膜トランジスタや高効率太陽電池への応用を可能とした。
一方、アセンジチオフェン系p型有機半導体の置換基による分子配列制御ではβ位に硫黄置換基を導入することの一般性を明らかにしただけでなく、アントラジチオフェンまでの拡張π電子系でもルブレン様の結晶構造となることを確認した。これらに加え、可溶性置換基として常用される分岐アルキル基の形状が分子集合体での分子間相互作用に大きな影響を及ぼすことを明らかにし、これによりトランジスタにおける高移動度化や太陽電池における高効率化が可能であることを実験的に明らかにした。
|
| 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
有機半導体の高次構造の制御を目指し、1) n型半導体骨格であるナフトチオフェンジイミド（NTI）の効果的活用、2) p型半導体であるアセンジチオフェン類への選択的硫黄官能基の導入による結晶構造制御の二点に注力し研究を実施した。1）について、種々の電子供与体部位（ドナー、D）と組み合わせ、A-D-A型のオリゴマーを合成した。
また、イミド窒素上に導入した可溶化のための分岐アルキル基の形状を変えることで、溶解性、薄膜中での分子配向、p型半導体ポリマーとの相溶性などを精査し、有機薄膜太陽電池用のn型の低分子半導体として有用な材料の開発をおこなった。中でも、インダセノジチオフェンをドナー部位に用いた材料では、光電変換効率が9%を超える太陽電池を実現することが出来ている。
また、NTIの二量体が塗布により1.0 cm2/Vsに達する高い電子移動度を示すトランジスタを与えることも明らかになっており、この場合もイミド窒素原子上の可溶性置換基が重要な役割を果たすことを見出している。
このように、NTIが低分子n型有機半導体として極めて優れた骨格であることが明らかになってきた一方で、NTIの大量合成が困難なこと、NTIの官能基化の選択性が低いことが研究の足枷となっていた。これらを克服するためNTI合成の鍵段階となる触媒的モノハロゲン化とNTIの直接アリール化反応も開拓した。
一方、アセンジチオフェン類への選択的硫黄官能基化では、ベンゾジチオフェン（BDT）上への種々の環状含硫黄置換基の導入、ナフトジチオフェン（NDT）、及びアントラジチオフェン（ADT）へのチオメチル基を導入、を行い、β位の硫黄官能基の結晶構造制御に対し一般性があることを実験的に確認した。これらのルブレン様の結晶構造をもつ半導体の特性を引き続き精査し、固体電子構造と半導体特性との相関が明らかになりつつある。
|
| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究で、NTIが有機トランジスタのみならず有機薄膜太陽電池におけるn型半導体の骨格として有用であることが明らかになったこと、また、NTIの簡便合成法と直接アリール化反応が可能となったことを受け、次年度はNTI誘導体を用いた高次構造制御を本格的に行うだけでなく、これによるデバイス特性の最適化を目指す。特に有機薄膜太陽電池における応用は世界最先端に後一歩のところまで来ていると認識しており、光吸収領域の制御（方法論は確立済み）と配向制御（同）により、更なる高効率化に挑戦する。
一方、リレンジイミド構造へのチオフェン縮環が有用な材料を与え得ることが明らかになったことから、これを他の系に拡張することも計画している。
p型半導体開発について、アセンジチオフェン類での結晶構造制御法がほぼ確立できたことを受け、更なる拡張とBTBTやDNTTなどへの応用も視野に研究を進める。中でもDNTT誘導体の合成に関し、汎用合成中間体の大量合成法が今年度確立できたので誘導体化を幅広く展開する。
また、有機半導体のドープによる導電性、熱電材料開発にも着手する。特にn型半導体のドープのための新材料の探索を進めており、有望材料を見出し合成も完了しており、次年度は種々の材料にドープし新材料開発へと展開する。
|
