高い配向性を持つチオフェン縮環フタロシアニン類の開発と有機薄膜デバイスへの応用

2012 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22750171
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 宮碕 栄吾 広島大学, 大学院・工学研究院, 助教 (00432683)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2013-03-31
• キーワード: フタロシアニン / 有機半導体 / 有機薄膜デバイス

研究概要

本研究では、チオフェン縮環ポルフィラジンおよびその共役拡張分子を合成し、その構造・物性を調査することを目的としている。最終年度となる本年度はフタロシアニン類縁体として、チアジアゾールが縮環したポルフィラジン(TzPz)を新たに開発し、アルキルチオフェン縮環ポルフィラジン(アルキルTc)、ならびにアルキルベンゾチオフェン縮環ポルフィラジン(アルキルBTc)の銅錯体と合わせて有機薄膜太陽電池(OPV)を作製し、その特性評価を行った。
TzPzの合成:HOMO準位の大きな新しいPc類縁体として、アルキルTzPzをアルキルジシアノチアジアゾールから二段階で合成した。サイクリックボタンメトリ測定において二段階の酸化、還元波が観測され、オンセット電位から見積もられたHOMO準位は5.6eVとなった。この値はアルキルTc(EHOMO=5.0eV)と比較すると0.6eV大きくなっており、期待通りの結果となった。これらの結果はチアジアゾ-ル環が電子吸引性基として強く作用したためであると考えられる。
OPVの評価:合成したPc類の半導体特性を明らかにするために、有機薄膜を用いたOPVを作製し、特性評価を行った。アルキルTcとフラーレン(C_<60>)を用いた二層型素子では疑似太陽光照射下において光電変換効率1.2%を示した。一方、アルキルBTcおよびアルキルTzPzとC_<60>の太陽電池素子では光電変換が起こらなかった。これはPc類においては単純な共役拡張ではデバイス特性の向上につながらないこと、またHOMO準位が深く有機半導体として有望であってもLUMO準位も深いためにp型半導体として機能していないと推測される。これらの結果は、p型有機半導体を設計する際にHOMO準位のみならずLUMO準位も考慮する必要があることを示唆しており、今後の有機半導体開発における重要な知見となった。

研究成果

• [雑誌論文] Organic photovoltaics based on 5-hexylthiophene-fused porphyrazines (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Mori, E. Miyazaki, I. Osaka, K. Takimiya
  • 雑誌名: Org. Electronics 巻: 13 ページ: 1975-1980
  • DOI: DOI:10.1016/j.orgel.2012.05.023
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis, Characterization, and Transistor and Solar Cell Applications of A Naphthobisthiadiazole-Based Semiconducting Polymer (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: Journal of American Cheimical Society 巻: Vol. 134 ページ: 3498-3507
  • DOI: 10.1021/ja210687r
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Soluble α-Dithienotetrathiafulvalene Derivative for Organic Field-Effect Transistors (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: Vol.41 ページ: 435-437
  • DOI: 10.1246/cl.2012.435
  • 査読あり
• [雑誌論文] Angular-shaped naphthodifurans, naphtho[1, 2-6; 5, 6-6']- and naphtho[2, 1-b; 6, 5-b']- difuran : Are they isoelectronic with chrysene? (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: Vol. 48 ページ: 5671-5673
  • DOI: 10.1039/c2cc31546g
  • 査読あり
• [雑誌論文] [2, 2']Bi[naphtho[2, 3-b]furanyl] : a versatile organic semiconductor with a furan-furan junction (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: Vol. 48 ページ: 5892-5894
  • DOI: 10.1039/c2cc31960h
  • 査読あり
• [雑誌論文] Facile synthesis of anthra[2, 3-b] chalcogenophenes (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: Synthesis 巻: Vol. 44 ページ: 2102-2106
  • DOI: 10.1055/s-0031-1291141
  • 査読あり
• [雑誌論文] Isomerically pure anthra[2, 3-b : 6, 7-b']-difuran (anti-ADF), -dithiophene (anti-ADT), and -diselenophene (anti-ADS) : Selective synthesis, electronic structures, and application to organic field-effect transistors (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: The Journal of Organic Chemistry 巻: Vol. 77 ページ: 8099-8111
  • DOI: 10.1021/jo301438t
  • 査読あり
• [雑誌論文] Largely π-Extended Thienoacenes with Internal Thieno[3, 2-b] thiophene Substructures : Synthesis, Characterization, and Organic Field-Effect Transistor Applications (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: Vol. 14 ページ: 4914-4917
  • DOI: 10.1021/o1302243t
  • 査読あり
• [雑誌論文] Orthogonally Functionalized Naphthodithiophenes : SelectiveProtection and Borylation (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: Vol. 14 ページ: 4718-4721
  • DOI: 10.1021/o1301797g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Borylation on Benzo[1,2-b : 4, 5-b']- and Naphtho[1,2-b : 5, 6-b']- dichalcogenophenes : Different Chalcogene Atom Effects on Borylation Reaction Depending on Fused Ring Structure (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: Vol. 14 ページ: 5448-5451
  • DOI: 10.1021/o1302521d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two Isomeric Didecyl-dinaphtho[2,3-b : 2', 3'-f] thieno [3, 2-b] thiophenes : Impact of Alkylation Positions on Packing Structures and Organic Field-effect Transistor Characteristics (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: Vol. 51 ページ: 11PD04-1-11PD04-5
  • DOI: 10.1143/JJAP.51.11PD04
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thienannulation reaction : efficient synthesis of ・-extended thienoacenes applicable to organic semiconductors (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: European Journal of Organic Chemistry 巻: Vol. 2 ページ: 217-227
  • DOI: 10.1002/ejoc.201201139
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anion effects on the cyclobis(paraquat-p-phenylene) host (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: Vol. 48 ページ: 5157-5159
  • DOI: 10.1039/c2cc31225e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of Organic Conductors with Self-Assembled Architectures of Biomolecules : Synthesis and Crystal Structures of Nucleobase-Functionalized Tetrathiafulvalene Derivatives (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 雑誌名: BULLETIN OF THE CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN 巻: Vol. 85 ページ: 995-1006
  • DOI: 10.1246/bcsj.20120102
  • 査読あり
• [学会発表] Synthesis of Benzo[b]thiophene-fused Porphyrazines and Application to Organic Field-Effect Transistor (2012)
  • 著者名/発表者名: 宮碕栄吾
  • 学会等名: ISOE2012 International Symposium on Organic Electronics 2012
  • 発表場所: 沖縄科学技術大学院大学
  • 年月日: 2012-10-03