東工大,高安定電子輸送型高分子トランジスタを開発

東京工業大学の研究グループは,環境負荷が低い直接アリール化重縮合法を用いて,電子アクセプター性の芳香環構造だけからなる電子輸送型(n型)の有機半導体高分子を合成した(ニュースリリース)。

最近,電子移動度が高い有機半導体高分子が開発されるようになっている。こうした有機半導体高分子は通常,ドナー性モノマーとアクセプター性モノマーが交互に連結するような設計になっている。現在市販されている汎用の電子輸送型(n型)高分子は,最低空軌道(LUMO)準位が十分に深くないため,有機トランジスタを作製して作動させた際,大気中の水分の影響によって性能が徐々に劣化するという問題があった。

今回の研究では,アクセプター性骨格だけからなるn型有機半導体高分子を新たに設計した。基本骨格として,電子アクセプター性の強いモノマーであるナフタレンジイミドとチエノピロールジオンを選択し,πスペーサーとして電子吸引性のチアゾールを採用して,チアゾールの向きが異なる2種類の高分子(P1とP2)を設計した。

今回の研究のモノマーに含まれるチアゾール部位には,ハロゲンやトリアルキルスズのような官能基を導入することはできなかった。そこで,チアゾールの炭素-水素結合を官能基として利用するクロスカップリング重合である,直接アリール化重縮合を試したところ,重合が進行することを見出した。重合条件を最適化した結果,P1とP2の両方で高分子量体を得ることに成功した。

このP1とP2は,チアゾールの向きが異なるだけで,他の構造がほぼ等しい異性体であるにも関わらず,吸収スペクトルや結晶性が大きく異なることが確かめられた。一方,P1とP2の主鎖骨格はともにアクセプター性の芳香環構造のみからなるため,LUMO準位が非常に深いこともわかった。

さらに,P1とP2の薄膜トランジスタを作製して,電子移動度を評価したところ,結晶性が高いP2の方が高い電子移動度を示した。このP2トランジスタを室温大気下で保管したところ,1カ月経過後でも電子移動度に大きな劣化は見られなかった。さらに,引加電圧に対しても優れた安定性を示したという。

研究グループは,この有機半導体高分子が,有機エレクトロニクス研究における新しい標準物質として利用できるとしている。

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