有機半導体のデバイス性能を決める要因を見逃すな ー分子層内相互作用による構造安定化が電荷移動度向上に寄与ー

2026-10-07 東京科学大学

東京科学大学、東京大学、北里大学、筑波大学などの研究チームは、有機半導体のデバイス性能を左右する要因として、結晶構造だけでなく、デバイス界面における分子の動的な振る舞いが重要であることを明らかにした。n型有機半導体のフッ素置換分子を比較したところ、結晶構造が類似しているにもかかわらず、単結晶薄膜トランジスタの電荷移動度は最大で4倍以上異なり、p-F体で3.6、m-F体で0.9 cm²/Vsとなった。分子動力学シミュレーションから、フッ素を介した分子間相互作用の位置の違いが熱による分子運動の大きさを左右し、パイ軌道の重なりを通じて電荷輸送を変化させることを突き止めた。これは、静的な結晶構造だけでなく、界面での動的構造安定化を考慮した有機半導体設計が高性能デバイス開発の鍵になることを示す成果である。

有機半導体のデバイス性能を決める要因を見逃すな ー分子層内相互作用による構造安定化が電荷移動度向上に寄与ー
図1 PhC2-BQQDIと今回開発したフッ素置換体FPhC2-BQQDIの分子構造

<関連情報>

層状レンガ積み構造を持つn型有機半導体の結晶構造および電荷輸送特性に対するフルオロフェニル末端側鎖の影響 Impacts of fluorophenyl-terminal side chains on crystal structures and charge-transport properties of n-type organic semiconductors with layered brickwork packing motif

Shohei Kumagai, Takeru Koguma, Eiji Fukuzaki, Takuya Seki, Go Watanabe, Ryoya Kimura, Masafumi Yano, Hiroyuki Ishii, Jun Takeya & Toshihiro Okamoto
Scientific Reports  Published:07 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-026-35849-z

Abstract

Molecular packing is crucial for charge-transport properties of organic semiconductors (OSCs). Nowadays, most OSCs consist of the π-electron core and insulating side-chain substituents. While the former is the primary factor of molecular packing and resultant charge transport, the latter is also the significant tuning element for them. Hence, it is worth addressing their individual roles. In this work, a potential impact of fluorine substitution on molecular packing and charge-transport properties is reported based on the positional isomers of n-type OSCs which have phenethyl side chains: para-, meta– and ortho-substituted derivatives called p-FPhC2−BQQDI, m-FPhC2−BQQDI and o-FPhC2−BQQDI, respectively. Crystallographic analyses showed that the fluorine substitution position varies the intermolecular interactions through noncovalent C−H∙∙∙F interactions. Although resultant brickwork-type molecular packings suggested similar charge-transport capabilities, single-crystal thin-film transistor assessments revealed distinct differences in the electron mobility: 0.44, 0.92 and 3.56 cm2 V−1 s−1 for o-FPhC2−BQQDI, m-FPhC2−BQQDI and p-FPhC2−BQQDI, respectively. The difference between m-FPhC2−BQQDI and p-FPhC2−BQQDI is attributed to dynamic disorder effects based on molecular dynamics simulations, whereas the lowest mobility of o-FPhC2−BQQDI may further result from static, orientational disordering of the side chains revealed by X-ray crystallography. These findings will be useful for in-depth investigations of side-chain effects on charge-transport properties of OSCs.

0403電子応用
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