世界最高の電子移動度を示す電子不足型有機半導体高分子の開発

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H02786
• 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)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 有機半導体 / 半導体高分子 / トランジスタ

研究実績の概要

本研究では、窒素置換したベンゾビスチアジアゾール（SN）骨格に基づく電子輸送型半導体高分子を合成し、世界最高の電子移動度を示す有機トランジスタを実現することを目的としている。そのためには、高分子の化学構造とデバイス構造を段階的に最適化していく必要がある。2019年度は、まず、クロスカップリング重合の条件を最適化して、高分子量体を得る要件を整理した。クロスカップリング反応の機構を十分に考慮し、律速段階の条件を改善することが鍵となる。鈴木カップリングや薗頭カップリング、根岸カップリング、山本カップリング、Heckカップリング等の一連のクロスカップリング重合を試験し、Stilleカップリングの条件が最も高分子量体を生成しやすいという知見を得た。また、溶媒を通常使用していたトルエンからクロロベンゼンに変えると、生成高分子の分子量が向上することを明らかにした。さらに、ヨウ化銅を少量添加するとトランスメタル化反応が加速され、分子量の向上につながることも実証した。このように種々重合条件を変えて合成した分子量が異なる半導体高分子に対してトランジスタ測定を実施した。その結果、分子量が増大して10万に近づくほど薄膜の結晶性とトランジスタの移動度が増加することが分かった。10万以上の高分子量体では結晶性と移動度の物性が飽和する様子が現れたため、有機トランジスタに用いる半導体高分子の分子量は10万程度のものが望ましいと言える。

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

研究実施前に計画していた内容をほぼ全て実施することができたため、おおむね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

半導体高分子の主鎖骨格の平面性は有機トランジスタの性能に大きな影響を与えると考えられている。SN骨格と共重合する共モノマーを種々試験し、主鎖骨格の構造について詳細に調査する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] Queensland University of Technology(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: Queensland University of Technology
• [国際共同研究] National Taiwan University(その他の国・地域 台湾)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: National Taiwan University
• [国際共同研究] KAIST(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: KAIST
• [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] 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] Improving the Air-Stability of n-Type Organic Thin-Film Transistors by Polyacrylonitrile Additive (2020)
  • 著者名/発表者名: J. Dong, Y. Wang, T. Mori, T. Michinobu
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 59 ページ: SDDC05
  • DOI: doi.org/10.7567/1347-4065/ab5c4b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tuning the Charge Carrier Polarity of Organic Transistors by Varying the Electron Affinity of the Flanked Units in Diketopyrrolopyrrole-Based Copolymers (2020)
  • 著者名/発表者名: Q. Liu, Y. Wang, A. Kohara, H. Matsumoto, S. Manzhos, K. Feron, S. E. Bottle, J. Bell, T. Michinobu, P. Sonar
  • 雑誌名: Adv. Funct. Mater. 巻: 30 ページ: 1907452
  • DOI: doi.org/10.1002/adfm.201907452
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Donor-Acceptor Effect of Carbazole-Based Conjugated Polymer Electrets on Photo-Responsive Flash OFET Memories (2020)
  • 著者名/発表者名: C.-H. Chen, Y. Wang, T. Michinobu, S.-W. Chang, Y.-C. Chiu, C.-Y. Ke, G.-S. Liou
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 12 ページ: 6144-6150
  • DOI: doi.org/10.1021/acsami.9b20960
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of Block Copolymers with Poly(3-hexylthiophene) Segments as Compatibilizers in Non-Fullerene Organic Solar Cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Y.-A. Su, N. Maebayashi, H. Fujita, Y.-C. Lin, C.-I. Chen, W.-C. Chen, T. Michinobu, C.-C. Chueh, T. Higashihara
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 12 ページ: 12083-12092
  • DOI: doi.org/10.1021/acsami.9b22531
  • 査読あり / 国際共著
• [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: 印刷中
  • DOI: doi.org/10.1021/acsaelm.0c00169
  • 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: 印刷中
  • DOI: doi.org/10.1002/solr.201900395
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Significant Difference in Semiconducting Properties of Isomeric All-Acceptor Polymers Synthesized via Direct Arylation Polycondensation (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Wang, T. Hasegawa, H. Matsumoto, T. Michinobu
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 58 ページ: 11893-11902
  • DOI: doi.org/10.1002/anie.201904966
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tuning Backbone Planarity in Thiadiazolobenzotriazole-Bis(thienothiophenyl)ethylene Copolymers for Organic Field-Effect Transistors (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Otep, Y. Wang, A. Kohara, H. Matsumoto, T. Mori, T. Michinobu
  • 雑誌名: ACS Appl. Polym. Mater. 巻: 1 ページ: 2302-2312
  • DOI: doi.org/10.1021/acsapm.9b00329
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of Incorporating Nitrogen Atoms in Naphthalenediimide-Based Polymer Acceptors on the Charge Generation, Device Performance, and Stability of All-Polymer Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: S. W. Kim, Y. Wang, H. You, W. Lee, T. Michinobu, B. J. Kim
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 11 ページ: 35896-35903
  • DOI: doi.org/10.1021/acsami.9b12037
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Energy Level Tuning of Aromatic Polyamines by [2+2] Cycloaddition-Retroelectrocyclization for the Optimization of Device Performances (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Morita, T. Michinobu
  • 雑誌名: Synth. Met. 巻: 257 ページ: 116179
  • DOI: doi.org/10.1016/j.synthmet.2019.116179
  • 査読あり
• [学会発表] n型半導体高分子の開発とトランジスタ応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 道信 剛志
  • 学会等名: ICPST-36
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photoelectrocatalytic Application of Thiadiazolobenzotriazole and Bis(thienothiophenyl)ethylene Based Donor-Acceptor Conjugated Polymers (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Otepov, T. Michinobu
  • 学会等名: 10th International Conference on Molecular Electronics & BioElectronics
  • 国際学会
• [学会発表] Improving the Air-Stability of n-Type Organic Thin-Film Transistors by Additive Polyacrylonitrile (2019)
  • 著者名/発表者名: J. H. Dong, Y. Wang, T. Michinobu
  • 学会等名: 10th International Conference on Molecular Electronics & BioElectronics
  • 国際学会
• [学会発表] Metal-Free Click Chemistry for the Synthesis of Functional Polymers (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Michinobu
  • 学会等名: FAPS 2019 Polymer Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Novel Photo-Induced Recovery of OFET Memories Based on Coplanar Donor-Acceptor Polymer Electret for Photo-Recorder Application (2019)
  • 著者名/発表者名: C.-H. Chen, C.-Y. Ke, Y. Wang, T. Michinobu, Y.-C. Chiu, G.-S. Liou
  • 学会等名: FAPS 2019 Polymer Congress
  • 国際学会
• [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