新奇分子トポロジーを活用した有機半導体材料の創製と有機トランジスタへの展開

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本研究では新奇分子トポロジーを基盤とした高性能有機半導体の創出を目的とした。従来材料はパイ共役コアが一次元に伸長した対称性の高い骨格に基づいたものが多い。直線状の共役の拡大によりエネルギー準位の調整や高い結晶性の実現が容易であることなどのメリットがあるが、一方で溶解性が低下し分子設計が狭められる点が課題であった。したがって、従来研究とは一線を画す分子骨格に基づいて高い半導体性能を達成できれば大きな価値がある。本研究はまずU字型骨格を有するヘテロアセンを創製した。これらの分子は高い溶解性と結晶性を兼ね備えており、簡便な溶液プロセスにより広範囲に渡って結晶性薄膜を形成することが可能であった。さらに固体中でユニークな二分子膜構造を形成していることが明らかになった。種々の実験や量子化学計算により、U字型の縮環様式が特異な凝集構造の形成に起因していることが分かった。これらの薄膜を活性層として用いた有機トランジスタはアモルファスシリコンに匹敵する優れたキャリア移動度を示した。さらに、得られた知見をもとに有機薄膜電池のアクセプター材料の開発を行った。優れたキャリア移動度と吸収特性を示す多環縮環分子は広く用いられてきたが、ブレンド膜における適切なモルフォロジーの形成が課題となっていた。これまでの研究に基づき開発したヘリカルな分子形状を有する分子群は、単膜とブレンド膜の両方において適切な結晶性およびモルフォロジーが形成されていることが明らかになった。その結果、比較化合物を大きく上回る光電変換特性を示し、分子設計の有効性が示された。以上のように、本研究ではこれまで注目されてこなかった新奇な分子トポロジーを基盤とした新しい設計指針を開拓することができた。当該分野における従来の課題を克服できるだけでなく、さらに多様な高性能有機半導体材料の開発に繋がると期待できる。