有機半導体薄膜の構造制御を可能にする構造形成機構の解明

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有機薄膜太陽電池（OPV）や有機薄膜トランジスタ（OTFT）などのデバイスは、薄膜中の分子配列（分子配向、結晶構造）が性能に大きく影響する。したがって、分子配列を意のままに制御する技術が求められている。これらのデバイスでは、一般的に表面不活性な基板が用いられるため、材料分子間の相互作用が、薄膜構造制御のカギとなる。本研究では、これまで構造制御に用いられていなかった、配位結合を用いた薄膜中の構造制御法を、微小角入射X線回折（GIXD）法とp偏光多角入射分解分光（pMAIRS）法による詳細な薄膜構造解析に基づいて確立した。前年度までに、有機半導体材料のTetrapyridylporphyrin（TPyP）について、ポルフィリン環の中心金属を変えて、ピリジル基との配位能を調整することで、ポルフィリン環が立ち上がった（edge-on）配向から、寝た（face-on）配向までを制御できることを、1次元GIXD法とpMAIRS法を用いて明らかにした。本年度は、新しく導入したX線回折装置を用いて、2次元GIXD測定を行い、MTPyP薄膜の結晶構造をより詳細に明らかにした。その結果、中心金属がCu(II)のとき、これまで報告されていなかったtriclinic結晶が含まれることがわかった。Triclinic結晶の形成は、Cu(II)のdx2-y2電子によって環の平面性が向上し、歪んだポルフィリン環を含むmonoclinic結晶の形成が阻害されたことが原因と説明される。すなわち、中心金属を選択することで、配位能だけでなく分子コンフォメーションも制御できることがわかった。この成果は2022年1月に国際的な学術誌Chemical Communicationsに掲載された。