狭バンドギャップ半導体高分子の開発と有機薄膜デバイスへの応用

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18KK0157
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 道信 剛志 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (80421410)
• 研究分担者: 松本 英俊 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (40345393) ; 角屋 智史 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 助教 (70759018)
• 研究期間 (年度): 2019-02-07 – 2021-03-31
• キーワード: 有機半導体 / 半導体高分子 / トランジスタ / 太陽電池 / 有機エレクトロニクス

研究実績の概要

有機半導体高分子はスピンコートやブレードコート等の湿式法で大面積の均一薄膜を作製できるため、有機太陽電池や有機トランジスタなどの次世代電子デバイスに応用できると考えられている。本研究では、ベンゾビスチアジアゾール（BBT）という縮環構造を重縮合用モノマーとして選択し、パラジウム触媒を用いたクロスカップリング重合により高結晶性の新規半導体高分子を合成することを目的とした。有機トランジスタの初期性能を評価した後、国際共同研究を通じて太陽電池やメモリ、CMOSインバータ等の性能評価を実施することを計画した。
有機太陽電池の分野で最近特に注目されている研究は、ドナーとアクセプター両方とも高分子を用いる全有機高分子型太陽電池の開発である。活性層中に高分子鎖間の絡み合いがあるため、機械的に強い膜が形成され、折り曲げたり引っ張たりできるフレキシブルデバイスへの展開が期待されている。近年では、アクセプターとして有効な骨格が分かってきており、本研究で用いているBBTやチエノピロールジオン（TPD）が有望である。そこで、BBTとTPDのスペーサーをチオフェン、チアゾール、オキサゾール、ピリミジンと変えた高分子を合成し、化学構造と太陽電池特性の相関を評価することとした。BBTとTPDのモノマーを直接アリール化重縮合し、対応する共重合体を目的高分子として得た。計算化学よりスペーサー部位の酸性度を見積もったところ、得られた高分子の分子量と正の相関が見られた。分子量に因らず、可視～近赤外に達する吸収が観測された。また、電気化学測定から見積もったフロンティア軌道準位はn型半導体であることを示唆した。
現在、KAISTの共同研究者によって太陽電池特性の評価を実施している。

研究成果

• [国際共同研究] Nanyang Technological University(シンガポール)
  • 国名: シンガポール
  • 外国機関名: Nanyang Technological University
• [国際共同研究] KAIST(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: KAIST
• [国際共同研究] 清華大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 清華大学
• [雑誌論文] Cu(I)-Catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition Synthesis and Fluorescent Ion Sensor Behavior of Carbazole-Triazole-Fluorene Conjugated Polymers (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Tane, T. Michinobu
  • 雑誌名: Polym. Int. 巻: 70 ページ: 432-436
  • DOI: 10.1002/pi.5976
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cross-linking of Poly(arylenebutadiynylene)s and Its Effect on Charge Carrier Mobilities in Thin Film Transistors (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Otep, K. Ogita, N. Yomogita, K. Motai, Y. Wang, Y.-C. Tseng, C.-C. Cheuh, Y. Hayamizu, H. Matsumoto, K. Ishikawa, T. Mori, T. Michinobu
  • 雑誌名: Macromolecules 巻: 54 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.1c00008
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Conjugated Polymers for Functional Applications: Lifetime and Performance of Polymeric Organic Semiconductors in OFETs. (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Kimpel, T. Michinobu
  • 雑誌名: Polym. Int. 巻: 70 ページ: 367-373
  • DOI: 10.1002/pi.6020
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diketopyrrolopyrrole-Based Dual-Acceptor Copolymers to Realize Tunable Charge Carrier Polarity of Organic Transistors and High-Performance Non-Volatile Ambipolar Flash Memories (2020)
  • 著者名/発表者名: Q. Liu, Y. Wang, Y. Ren, A. Kohara, H. Matsumoto, Y. Chen, S. Manzhos, K. Feron, S. E. Bottle, J. Bell, Y. Zhou, T. Michinobu, P. Sonar
  • 雑誌名: ACS Appl. Electron. Mater. 巻: 2 ページ: 1609-1618
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00169
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] N-Type Charge Carrier Transport Properties of BDOPV-Benzothiadiazole-Based Semiconducting Polymers (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Wang, S. Otep, J. Kimpel, T. Mori, T. Michinobu
  • 雑誌名: Electronics 巻: 9 ページ: 1604
  • DOI: 10.3390/electronics9101604
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Poly(3,9-carbazole)s: A Chemically Stable Extended Form of Polyaniline for Nitro-Aromatic Sensor Applications (2020)
  • 著者名/発表者名: J. Kimpel, Y. Yoshitake, T. Michinobu
  • 雑誌名: Bull. Chem. Soc. Jpn. 巻: 93 ページ: 1361-1365
  • DOI: 10.1246/bcsj.20200177
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Cyano-Rich Small Molecule Dopant for Organic Thermoelectrics (2020)
  • 著者名/発表者名: K.-H. Tu, Y. Wang, Y. Kiyota, T. Iwahashi, Y. Ouchi, T. Mori, T. Michinobu
  • 雑誌名: Org. Electron. 巻: 87 ページ: 105978
  • DOI: 10.1016/j.orgel.2020.105978
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Diketopyrrolopyrrole-Thiophene-Methoxythiophene Based Random Copolymers for Organic Field Effect Transistor Applications (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Otep, Y.-C. Lin, H. Matsumoto, T. Mori, K.-H. Wei, T. Michinobu
  • 雑誌名: Org. Electron. 巻: 87 ページ: 105986
  • DOI: 10.1016/j.orgel.2020.105986
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pure Organic Semiconductor-Based Photoelectrodes for Water Splitting (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Otep, T. Michinobu, Q. Zhang
  • 雑誌名: Sol. RRL 巻: 4 ページ: 1900395
  • DOI: 10.1002/solr.201900395
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 有機半導体高分子の主鎖平面性とトランジスタ特性の相関 (2020)
  • 著者名/発表者名: Otep Sultan、道信 剛志
  • 学会等名: 第69回高分子討論会
• [学会発表] [2+2]付加環化反応を用いた新規n型有機半導体の合成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 尾山 泰輝、道信 剛志
  • 学会等名: 第10回CSJ化学フェスタ2020
• [学会発表] ポリスチレンを両端にもつポリアリーレンブタジイニレンの合成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 蓬田 直正、Otep Sultan、道信 剛志
  • 学会等名: 第10回CSJ化学フェスタ2020
• [学会発表] 両端にポリスチレンを導入したABA型トリブロック共重合体の合成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 蓬田 直正、Otep Sultan、道信 剛志
  • 学会等名: 2020年繊維学会秋季研究発表会
• [学会発表] The [2+2] Cycloaddition-Retroelectrocyclization (CA-RE) Click Reaction for the Synthesis of Polymeric Push-Pull Chromophores (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Michinobu
  • 学会等名: Glowing Polymer Symposium in KANTO (GPS-K)
  • 招待講演
• [図書] Ambipolar Materials and Devices (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhou, S.-T. Han
  • 総ページ数: 446
  • 出版者: Royal Society of Chemistry
  • ISBN: 978-1-78801-868-5
• [備考] 東京工業大学 道信研究室
  • URL: http://www.op.titech.ac.jp/lab/michinobu/jp/index.html