理研,有機半導体の結晶構造を有効に制御

理化学研究所(理研)の研究グループは,結晶構造中における分子間相互作用の異方性に着目し有機分子の構造を精密に設計することにより,有機半導体の配列や配向(結晶構造)を有効に制御できることを発見した(ニュースリリース)。

これまで,軽量でフレキシブルな電子デバイス等の製造のため,高いキャリア移動度を持つ有機半導体の実現を目指し,さまざまな有機分子や高分子材料が開発されてきた。

しかし,それらの多くは個々の分子の設計に主眼が置かれ,個々の分子の凝集状態である結晶構造の制御は手付かずの状態だった。そこで,研究グループは,結晶構造中における分子間相互作用の異方性に着目し,分子設計を基盤とする結晶構造の制御が可能かどうか検討した。

有機半導体材料の結晶構造はいくつかの型に類型でき,その中で最も高い移動度を示すものが,ルブレンと呼ばれる半導体分子に見られる「傾斜型π積層構造」となる。傾斜型π積層構造とは,板状の分子構造を持つ有機半導体分子が分子の長軸を傾けて積み重なった結晶構造で,分子の積層方向に高い移動度を発現する。

しかし,この型の結晶構造はルブレン以外の有機半導体分子ではほとんど見られないことから,傾斜型π積層構造を持つ半導体分子を開発することが,有機半導体材料の研究における長年の課題だった。

そこで研究グループは,単結晶X線構造解析により,硫黄原子を含む芳香族炭化水素化合物(チエノアセン)の誘導体が傾斜型π積層構造を持つことを見いだし,その結晶構造中においてチエノアセン分子間に働く相互作用に着目した。

そして,結晶中で分子の形に依存して方向により働き方が異なる(異方的に作用する)ファンデルワールス力などの弱い分子間相互作用が,結晶構造に及ぼす影響を検討した。

その結果,メチルチオ基(-SMe)という単純な構造の置換基を分子の特定の位置に導入すると,分子が空間的に近づき分子間相互作用が有効に働く方向を制御できることを見いだした。

次に,この分子設計指針のもとπ拡張チエノアセン分子を新たに合成し,実際にルブレン様の傾斜型π積層構造を持つことを実験的に明らかにした。さらに,この分子を活性層とした有機電界効果トランジスタを作製したところ,4cm2/Vsを超える高い移動度を示すことが分かった。

この移動度は,同条件で作製したルブレンの有機電界効果トランジスタにおける移動度と同程度であることから,この結晶構造制御法が高移動度有機半導体材料の開発において極めて有効であることが示された。

今回明らかにした分子設計指針は非常に簡便であるため,さまざまな有機半導体骨格へと応用が可能になるという。またこのことは,これまで研究が進んでいなかった傾斜型π積層構造を持つ有機半導体の開発が加速されることを意味し,新たな高性能材料の開発につながるとしている。

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