特異な構造相転移挙動を活用した高い製造プロセス適性を持つ高性能な有機半導体を開発

2020-08-202021-09-16

2020-08-20 東京大学,富山高等専門学校,筑波大学,北里大学,理化学研究所,関西大学,高輝度光科学研究センター,産業技術総合研究所,科学技術振興機構

ポイント

高い溶解性を示す結晶相と高い半導体性能を示す結晶相の特異な相転移挙動を生かした製造プロセス適性が高く高性能の有機半導体Ｃ_１０－ＤＮＳ－ＶＷを開発しました。
近未来のＩｏＴ社会のキーデバイスである安価な電子タグやマルチセンサーの実用化を大幅に加速させることが期待されます。

東京大学大学院新領域創成科学研究科の岡本敏宏　准教授、三谷真人　特任助教、竹谷純一　教授、同大学大学院工学系研究科化学生命工学専攻の加藤隆史　教授、富山高等専門学校物質化学工学科の山岸正和　講師、筑波大学数理物質系の石井宏幸　助教、北里大学理学部物理学科の渡辺豪　講師、産業技術総合研究所産総研・東大先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリは、特異な構造相転移挙動により、高溶解性・高移動度・環境ストレス耐性を実現した高製造プロセス適性かつ高性能有機半導体を開発しました。

一般に、有機半導体はベンゼン環やヘテロール環が単結合もしくは縮環したπ電子系分子からなります。半導体性能として求められる電荷輸送能の指標である移動度や用いられる電極からの電荷注入のしやすさ（電荷注入能）を向上、改善するためには、π電子系骨格の拡張とその骨格が電荷輸送に有利な２次元集合体構造を形成することが重要です。

これまでの有機半導体の開発により、市販されている製品中のアモルファスシリコンよりも１桁以上高い１０ｃｍ^２／Ｖｓ（平方センチメートル毎ボルト毎秒）級の移動度を有する有機半導体が報告されています。しかしながら、高性能有機半導体分子の多くは、一般的な有機溶媒に対する溶解性が乏しく、適用できる製造プロセスが限られていることが課題でした。

研究グループでは、これまで報告されている他の有機半導体に見られない集合体構造間の特異な相転移によって、製造プロセス適性が高く高性能の有機半導体であるデシル置換セレン架橋Ｖ字型分子Ｃ_１０－ＤＮＳ－ＶＷを開発しました。大型放射光施設ＳＰｒｉｎｇ－８（ビームラインＢＬ０２Ｂ１）では、Ｃ_１０－ＤＮＳ－ＶＷは、高溶解性で電荷輸送に不利な１次元集合体構造と低溶解性で電荷輸送に有利な２次元集合体構造の異なる２種類の集合体構造を形成することが分かりました。興味深いことに、蒸着法および塗布結晶化法などの製造プロセスの種類に関わらず、薄膜作製時には電荷輸送に有利な２次元構造が再現性良く得られ、塗布プロセスで得られた単結晶薄膜を用いたトランジスターにおいて、世界最高レベルの１１ｃｍ^２／Ｖｓの移動度、良好な電荷注入特性、高環境ストレス耐性が得られました。

今回開発したＣ_１０－ＤＮＳ－ＶＷからなる有機半導体は、蒸着法や印刷法などの各種製造プロセスに対する適合性が高く、電子タグやマルチセンサーなどの各種ハイエンドデバイス開発が加速し、次世代のプリンテッド・フレキシブルエレクトロニクス分野の起爆材料となることが大いに期待されます。

本研究成果は、２０２０年８月１９日付でアメリカ化学会（ＡＣＳ）「ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＣｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ」のオンライン速報版で公開されます。

本研究成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業さきがけ

研究領域：「微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出」
（研究総括：谷口研二　大阪大学　名誉教授、副研究総括：秋永広幸　産業技術総合研究所デバイス技術研究部門　総括研究主幹）

研究課題：「有機半導体の構造制御技術による革新的熱電材料の創製」

研究者：岡本敏宏（東京大学大学院新領域創成科学研究科　准教授）

研究期間：平成２９年１０月～令和３年３月

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＜論文タイトル＞

“Alkyl-Substituted Selenium-Bridged V-Shaped Organic Semiconductors Exhibiting High Hole Mobility and Unusual Aggregation Behavior”: ＤＯＩ：10.1021/jacs.0c05522