高密度分子集合体を舞台とする多重機能性材料の創製

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有機半導体は、現在広く用いられている無機半導体材料に比べ軽量性や柔軟性が高く、曲げられるディスプレイや軽量電子デバイスへの応用が期待されている。有機半導体材料は、有機分子の配列様式にその電子移動特性などの物性が大きく依存し、これまでの有機半導体の構造制御には、主に弱い分子間力が用いられてきた。強い分子間力である静電相互作用を用いて優れた半導体特性を保持できる分子設計を試み、イオン対型のn型半導体材料の開発を行った。研究対象としたイオン性ナフタレンジイミド誘導体は、対カチオンの交換反応により多様な機能性カチオンユニットを分子集合体中に導入可能である。本研究では、優れた熱・化学的安定性を有する多重機能性n型有機半導体の開発に取り組んだ。最終年度である本年度は、ゲスト分子の包接特性に着目し、bis(benzenesulphonate)-naphthalenediimide (BS-NDI)のフェニル基のメタ位にスルホネート基を導入したm-BS-NDI骨格に着目した研究を実施した。昨年度までに、熱重量測定から m-BS-NDIのアルカリ金属塩が800 K付近まで熱重量減少が観察されず、非常に高い熱安定を保持することを明らかとしている。さらに、吸着等温線測定から、メタノールおよび水分子を包接することが分かった。粉末XRDおよび単結晶X線構造解析から、ゲスト分子の吸着前後で分子集合体構造が変化することが示され、特にK塩ではメタノールおよび水蒸気の暴露と加熱脱離によって、キャリア輸送特性が変化することが確認された。これは、吸着挙動によるキャリア輸送特性のスイッチングが可能であることを示している。以上の研究からイオン性有機半導体における構造柔軟性と機能開拓に関して、置換基およびカチオン設計指針を得ることに成功した。これらの指針から、さらなる物性制御および新機能付加に研究が発展可能である。