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2023 年度 実績報告書

分子軌道の精密制御による高性能n型半導体ポリマーの創出

研究課題

研究課題/領域番号 22K14745
研究機関広島大学

研究代表者

三木江 翼  広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (40881280)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2024-03-31
キーワード半導体ポリマー / π共役系化合物 / 電子輸送材料 / 有機電界効果トランジスタ / 有機薄膜太陽電池
研究実績の概要

令和4年度までに、強すぎない「適度な」電子欠損性を持つキノキサリン(QI)骨格を有する半導体ポリマーPQITにおいて、LUMOの非局在化がLUMO準位の低下に効果的であり、PQITを用いた有機電界効果トランジスタ(OFET)がn型半導体特性を発現することを見出した。
令和5年度は、まず、PQITを用いたOFETの高性能化を試みた。興味深いことに、PQITのクロロベンゼン(CB)溶液を用いて成膜した素子は1.0 cm2/Vsを超える電子移動度を示し、クロロホルム(CF)溶液を用いて成膜した素子(0.1 cm2/Vs)の10倍以上高い値を示すことを見出した。X線回折測定により薄膜構造を評価したところ、CBで成膜したポリマー薄膜はCFで成膜したものよりもπスタック距離が短く、結晶子サイズが大きいことがわかった。すなわち、CB溶液を用いて成膜したOFETは、結晶性の向上に起因して高い電子移動度を示したと考えられる。
一方、PQITは高い結晶性を示すものの、Face-on配向であることがわかった。一般に、OFETでは基板水平方向に電子を輸送するため、Face-on配向よりもEdge-on配向が有利である。従って、QI系ポリマーをEdge-on配向にすることで、主鎖間・主鎖内ともに基板水平方向に電子を輸送でき、さらなる移動度の向上が見込まれる。そこで、配向性の制御を目的として、PTQIに導入するアルキル基を短くしたPTQI-2と、πスペーサを長くしたPTQI-3をそれぞれ合成した。しかしながら、いずれのポリマーも溶解性が大きく低下し、成膜が困難であったため、FET特性は評価できなかった。
以上、研究期間全体を通じて、「強すぎない適度な電子欠損性を持つ骨格の導入によるLUMOの非局在化」という、高性能n型半導体ポリマーの開発に向けた新しい材料設計指針を示すことができた。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] Purdue University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Purdue University
  • [雑誌論文] Manipulating the functionality and structures of π-conjugated polymers utilizing intramolecular noncovalent interactions towards efficient organic photovoltaics2024

    • 著者名/発表者名
      Kamimura Satoshi、Saito Masahiko、Teshima Yoshikazu、Yamanaka Kodai、Ichikawa Hiroyuki、Sugie Ai、Yoshida Hiroyuki、Jeon Jihun、Kim Hyung Do、Ohkita Hideo、Mikie Tsubasa、Osaka Itaru
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1039/D4SC00899E

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Two Isomeric Benzo[d]imidazole-Based Nonfullerene Acceptors for Organic Photovoltaics2024

    • 著者名/発表者名
      Ono Shohei、Mikie Tsubasa、Nakano Kyohei、Tajima Keisuke、Osaka Itaru
    • 雑誌名

      ACS Applied Energy Materials

      巻: 7 ページ: 2946~2954

    • DOI

      10.1021/acsaem.4c00212

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A highly crystalline face-on π-conjugated polymer based on alkoxythiophene-flanked benzobisthiazole for organic photovoltaics2024

    • 著者名/発表者名
      Doi Shuhei、Mikie Tsubasa、Yamanaka Kodai、Sato Yuki、Ohkita Hideo、Saito Masahiko、Osaka Itaru
    • 雑誌名

      Polymer Journal

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1038/s41428-024-00906-9

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Bending the Rule: Naphthobisthiadiazole-Based Terpolymers with Both High Solubility and Crystallinity for Organic Photovoltaics2024

    • 著者名/発表者名
      Chou Li-Hui、Chen Fengkun、Nakano Kyohei、Yamanaka Kodai、Mikie Tsubasa、Saito Masahiko、Liu Cheng-Liang、Tajima Keisuke、Osaka Itaru
    • 雑誌名

      ACS Applied Polymer Materials

      巻: 6 ページ: 2586~2593

    • DOI

      10.1021/acsapm.3c02772

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Simple π-Conjugated Polymers Based on Bithiazole for Nonfullerene Organic Photovoltaics2024

    • 著者名/発表者名
      Teshima Yoshikazu、Yamanaka Kodai、Sato Yuki、Ohkita Hideo、Mikie Tsubasa、Saito Masahiko、Osaka Itaru
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 16 ページ: 3735~3743

    • DOI

      10.1021/acsami.3c14494

  • [雑誌論文] Ordered π-conjugated polymer backbone in amorphous blend for high efficiency nonfullerene organic photovoltaics2023

    • 著者名/発表者名
      Saito Masahiko、Yamada Hiroya、Kranthiraja Kakaraparthi、Jeon Jihun、Kim Hyung Do、Mikie Tsubasa、Saeki Akinori、Ohkita Hideo、Osaka Itaru
    • 雑誌名

      Communications Materials

      巻: 4 ページ: 72~81

    • DOI

      10.1038/s43246-023-00395-y

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] ビチアゾールジオンを基調としたπ 共役系ポリマーの合成とn 型半導体特性2023

    • 著者名/発表者名
      土井 脩平、三木江 翼、尾坂 格
    • 学会等名
      第5回フロンティア太陽電池セミナー
  • [学会発表] π共役系ポリマーの電荷輸送性を高める新しい分子設計と有機光触媒への応用2023

    • 著者名/発表者名
      三木江 翼
    • 学会等名
      第7回次世代の有機化学・広島シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 縮環チエノキノイド骨格を有するπ共役系ポリマーの電荷輸送特2023

    • 著者名/発表者名
      三木江 翼、岩﨑 優佳、土井 修平、石井 宏幸、尾坂 格
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季講演会
  • [学会発表] Synthesis and charge transport property of a small bandgap polymer based on quinoidal bithiazole2023

    • 著者名/発表者名
      Shuhei Doi, Tsubasa Mikie, Itaru Osaka
    • 学会等名
      The 13th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of π-Conjugated Polymers Based on Dithienonaphthobisthiadiazole for Organic Transistors and Photovoltaics2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuya Matsui, Tusbasa Mikie, Takuji Seo, Yutaka Ie, Itaru Osaka
    • 学会等名
      The 13th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] S-Pechmann-based polymer that realized high interchain charge carrier transport via extended π-electron delocalization2023

    • 著者名/発表者名
      Tsubasa Mikie, Keitaro Iguchi, Ryosuke Kamimura, Itaru Osaka
    • 学会等名
      15th International Symposium on Functional π-Electron Systems (Fπ15)
    • 国際学会
  • [学会発表] S-ペックマン系ポリマーにおける共役拡張による電荷移動度向上2023

    • 著者名/発表者名
      三木江 翼 ・井口 景太郎 ・上村 亮介・尾坂 格
    • 学会等名
      第72回高分子年次大会
  • [学会発表] ビチアゾールジオンを基調としたπ共役系ポリマーの合成と有機トランジスタへの応用2023

    • 著者名/発表者名
      土井 脩平 ・ 三木江翼 ・尾坂 格
    • 学会等名
      第72回高分子年次大会
  • [学会発表] ジチエノナフトビスチアジアゾールを有するπ共役系ポリマーの合成と物性2023

    • 著者名/発表者名
      松井 和哉・三木江 翼・瀬尾 卓司・家 裕隆・尾坂 格
    • 学会等名
      第72回高分子年次大会
  • [備考] 尾坂研究室website

    • URL

      https://osaka.hiroshima-u.ac.jp/

  • [産業財産権] 共役系重合体、電子供与性有機材料、光起電力素子用材料および光起電力素子2024

    • 発明者名
      尾坂 格、三木江 翼、土井 脩平
    • 権利者名
      尾坂 格、三木江 翼、土井 脩平
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      23084

URL: 

公開日: 2024-12-25  

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