水素結合性有機薄膜トランジスタの開発~真の超分子デバイスへの第一歩~

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2025-05-15 京都大学

京都大学化学研究所の山内光陽助教らの研究チームは、水素結合ネットワークを有する有機薄膜トランジスタの開発に成功しました。水素結合は分子間の結合方向が明確で、精密な超分子構造制御が可能ですが、溶解性の低下によりトランジスタへの応用が困難でした。本研究では、高溶解性の熱前駆体を用いた「熱前駆体法」を採用し、難溶性の水素結合性テトラベンゾポルフィリンからなるトランジスタを初めて実現しました。このデバイスは、アモルファスシリコンに匹敵する電荷移動度と優れた熱耐久性を示し、X線解析と多角入射分解分光法により薄膜中の分子配向と2次元パッキング構造を解明しました。これらの成果は、超分子薄膜の構造解析に向けたロードマップを提示し、水素結合性トランジスタの設計指針を提供するものです。本研究成果は、2025年3月7日に国際学術誌「Angewandte Chemie International Edition」にオンライン掲載されました

水素結合性有機薄膜トランジスタの開発~真の超分子デバイスへの第一歩~
本研究で用いた水素結合性有機半導体薄膜の作製手法と分子集合構造

<関連情報>

熱的前駆体アプローチによる水素-ホウ素誘導超分子有機半導体薄膜の実現 Hydrogen-Bond-Directed Supramolecular Organic Semiconductor Thin Films Realized via Thermal Precursor Approach

So Ueno, Dr. Mitsuaki Yamauchi, Dr. Nobutaka Shioya, Dr. Hiroshi Matsuda, Prof. Dr. Takeshi Hasegawa, Dr. Keitaro Yamamoto, Prof. Dr. Yoshiyuki Mizuhata, Prof. Dr. Hiroko Yamada
Angewandte Chemie International Edition  Published: 07 March 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202425188

Abstract

Flexible organic semiconductors are regarded as an important class of functional materials, enabling their fabrication via a solution-processed method. However, supramolecularly designed organic thin-film transistor (OTFT) devices using hydrogen bonds have not been sufficiently developed. This is because of the reduced solubility caused by introducing hydrogen bond sites and the difficulty in controlling molecular orientations and packing structures. Herein, we report a reasonable strategy for the formation of hydrogen-bonded semiconductor thin films of a tetrabenzoporphyrin derivative with amide groups using the thermal precursor approach. The thin films are successfully fabricated by thermal conversion of the corresponding precursor in the film state. Assembly structure with a hydrogen-bond network is revealed by the combination of X-ray diffraction and infrared p-polarized multiple-angle incidence resolution spectrometry. The OTFT devices exhibit high hole mobility of 0.25 cm2 V−1 s−1 among hydrogen-bonded OTFTs reported previously. Notably, we unveiled the high thermal stability of semiconductor films without decreasing device performance in air up to 250 °C. This strategy can become a key methodology to form hydrogen-bond-directed organic electronic devices, namely supramolecular devices.

0403電子応用
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