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

利用新颖的分子拓扑创建有机半导体材料和有机晶体管的开发

基本信息

批准号：
18J22297
负责人：
森達哉
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

这项研究旨在基于新的分子拓扑创建高性能有机半导体。大多数常规材料基于高度对称的骨骼，其中偶联的核心在一个维度上延伸。线性缀合的扩展具有优势，例如调节能级并达到高结晶度，但另一方面，问题是溶解度降低并且分子设计范围缩小。因此，如果我们基于与以前的研究不同的分子框架，我们可以实现高半导体性能，那么它具有很大的价值。这项研究首先创建了带有U形骨骼的异烯。这些分子具有较高的溶解度和结晶度，并且可以通过简单的溶液过程在各个区域内形成结晶薄膜。此外，已经揭示了独特的双层结构以固体形成。各种实验和量子化学计算表明，U形融合环样式是由于形成了奇异的聚集结构。使用这些薄膜作为活性层的有机晶体管表现出与无定形硅相当的出色载体迁移率。此外，根据获得的知识，我们为有机薄膜电池开发了一种受体材料。尽管已经广泛使用了表现出极好的载流子迁移率和吸收特性的多环状环分子，但混合膜中合适的形态的形成已成为一个挑战。已经揭示了基于先前研究而开发的分子的螺旋分子形状在单个和混合膜中具有适当的结晶度和形态。结果，它表现出比比较化合物明显好的光电转换特性，表明分子设计的有效性。如上所述，这项研究能够根据新的分子拓扑制定新的设计指南，这些新设计指南直到现在才引起人们的注意。可以预期，它不仅会克服该领域的常规挑战，而且会导致各种高性能的有机半导体材料的发展。