高発光性と高移動度を両立させた発光デバイス材料の創製

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K06036
• 研究機関: 関西大学
• 研究代表者: 矢野 将文 関西大学, 化学生命工学部, 准教授 (10330177)
• 研究分担者: 田村 宏之 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 主幹研究員 (60390655) ; 岡本 敏宏 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (80469931)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 有機合成化学 / 機能性有機材料 / 塗布プロセス / 有機半導体分子 / 分子設計 / 構造有機化学

研究実績の概要

本研究では1）高ホール移動度，2）固体での高発光性を併せ持つ酸素架橋V字型およびN字型パイ電子系コアを基本骨格とする。これらについて伝導や光物性に関連する置換基と印刷プロセスに関連する置換基の両軸からの構造有機化学的アプローチにより有機発光デバイス向けの有機半導体材料の創製を行い、有機発光トランジスタ向けの有機半導体材料の分子設計指針を確立する。今年度は、非対称のパイ系を有する誘導体（DNF-L, DNT-L）の基礎物性、デバイス特性を詳細に検討した。これらの単結晶構造解析を行い、パッキング構造を明らかにした。この結果を元にして計算を行うことで集合体構造中の電子の伝搬を明らかにした。さらにこれらを用いたデバイスを検討し、アモルファスシリコンに匹敵する移動度が得られた。この材料を用いたデバイスは閾値電圧が非常に低く、アルキル基を全く持たず、塗布型有機トランジスタに適用可能な材料のポテンシャルが示された。
我々は近年、フェニル基を持つDNF-V誘導体(Ph-DNF-VW) を設計し、グラムスケールでこれを得る効率的合法を確立した。Ph-DNF-VWは300°C以上の非常に高い耐熱性、固体状態で非常に高い量子発光効率(ΦF=80%)を示す。Ph-DNF-VWの単結晶貼り付けデバイスはアモルファスシリコンに匹敵する移動度最大（0.70cm2/Vs）を示し、さらに劇的な閾値電圧の減少が明らかになった。Ar-DNF-VWの集合体構造の制御およびそれに起因する物性の向上を目的として種々のピリジル基を有するDNF-V誘導体を効率的に合成した。臭素原子を有するDNF-V誘導体(Br-DNF-VVおよびBr-DNF-VV)を設計し、グラムスケールで合成・単離・精製することに成功した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

対称性を崩し、溶解度を高めたDNF-L, DNT-L誘導体でもアモルファスシリコンに匹敵する移動度および低い閾値電圧を実現できたことは大きな成果である。
これはアルキル基などのフレキシブルな置換基導入によって溶解度を担保させていた従来の分子設計方針とは全く異なるアプローチに基づいており、より高性能な塗布型有機半導体材料の分子設計指針の確立に大きく寄与する、
当初の予定通り、今年度に種々のピリジル基を有する化合物を合成できた。この方法はピリジル基のようなヘテロ環をもつDNF-V誘導体の合成にも、グラムスケールで適用できることがわかった。今後、これらの基礎物性、デバイス物性を検討するためには、非常に純度の高いサンプルを得る必要がある

今後の研究の推進方策

補助事業期間内に目的を達成するために、平成29年度は目的化合物をより容易に、グラムスケールで得る方法を模索し、より洗練された分子設計方針に基づいた目的化合物の確保を重点的に行なった。この結果、平成29年度はこれらの化合物の性質の解明に集中して取り組むことができるようになった。今年度、化合物の性質を明らかにするために用いる予定だった経費は来年度以降に執行する予定である。

次年度使用額が生じた理由

平成29年度の研究を通して、基礎物性を明らかにするための研究方針、研究体制が確立できた。平成29年度に使用しなかった807800円および平成30年度の配分の一部は、今年度に合成した化合物の性質を明らかにするための消耗品購入に用いる。

研究成果

• [雑誌論文] Zigzag-Elongated Fused π-Electronic Core: A Molecular Design Strategy to Maximize Charge-Carrier Mobility (2017)
  • 著者名/発表者名: Akito Yamamoto, Yoshinori Murata, Chikahiko Mitsui, Hiroyuki Ishii,* Masakazu Yamagishi, Masafumi Yano, Hiroyasu Sato, Akihito Yamano, Jun Takeya, and Toshihiro Okamoto
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 5 ページ: 1700317
  • DOI: 10.1002/advs.201700317
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Oxygen- and sulfur-bridged bianthracene v-shaped organic semiconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: Chikahiko Mitsui, Masakazu Yamagishi, Ryoji Shikata, Hiroyuki Ishii, Takeshi Matsushita, Katsumasa Nakahara, Masafumi Yano, Hiroyasu Sato, Akihito Yamano, Jun Takeya, and Toshihiro Okamoto
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 90 ページ: 931-938
  • DOI: 10.1246/bcsj.20170030
  • 査読あり
• [雑誌論文] High performance solution crystallized thin-films transistors based on V-shaped thieno[3,2-f:4,5-f’]bis[1]benzothiophene semiconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: Chikahiko Mitsui, Hiroaki Tsuyama, Ryoji Shikata, Yoshinori Murata, Hiroyuki Kuniyasu, Masakazu Yamagishi, Hiroyuki Ishii, Akito Yamamoto, Yuri Hirose, Masafumi Yano, Takeyuki Suzuki, Hiroyasu Sato, Akihito Yamano, Tetsuya Watanabe, Yoshihisa Usami, Jun Takeya, Toshihiro Okamoto
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 5 ページ: 1903-1909
  • DOI: 10.1039/C6TC04721A
  • 査読あり
• [学会発表] クリセノジチオフェン骨格を有する新規有機半導体分子 群のキャリア輸送特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本 敏宏, 村田 祥典, 山元 明人, 石井 宏幸, 山岸 正和, 矢野 将文, 佐藤 寛泰, 山野 昭人, 竹谷 純一
  • 学会等名: 第７８回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 酸素および硫黄架橋V字型半導体：単結晶トランジスタとバンド構造 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本敏宏，四方良二，三津井親彦，山岸正和，石井宏幸，矢野将文，佐藤寛泰，山野昭人，竹谷純一
  • 学会等名: 第７８回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 溶液プロセス可能なp 型ジチエノ[3,2-b:2’,3’-f]チエピン骨格を有する有機半導体材料：合成、集合体構造および塗布型有機トランジスタへの応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本 敏宏、脇本 貴裕、安中 辰朗、池田 大次、山岸 正和、矢野 将文、黒澤 忠法、竹谷 純一
  • 学会等名: 第２８回基礎有機化学討論会
• [学会発表] ベンゾ[c]チオフェンジイミド骨格を有する新規n型有機半導体材料 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本敏宏，福﨑英治，脇本貴裕, 黒澤忠法, 矢野将文, 佐藤寛泰，山野昭人，渡邉哲也，宇佐美由久，竹谷純一
  • 学会等名: 第２８回基礎有機化学討論会