分子軌道の精密制御による高性能n型半導体ポリマーの創出

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研究計画において、強すぎない「適度な」電子欠損性を持つキノキサリンイミド（QI）骨格を基盤に、LUMOが非局在化した高性能n型半導体ポリマーの開発を計画していた。今年度は、量子計算からLUMOの非局在化が最も期待できるQIとチオフェンからなる半導体ポリマーPQITを合成し、その電気化学的・光学的物性を評価した。また、有機電界効果トランジスタ（OFET）を作製し、PQITの電荷輸送性を評価した。電気化学測定によりモノマーとポリマーのエネルギー準位をそれぞれ評価したところ、「適度な」電子欠損性を有するQIモノマーは、それ自身は十分に低いLUMO準位を持たないが、PQITとしてポリマーに組み込まれることではじめて、n型半導体特性を発現しうる低いLUMO準位を示すことが確認できた。すなわち、LUMOの非局在化は、LUMO準位の低下に効果的である可能性は高い。また、PQIT薄膜のX線回折測定では、ポリマーのπスタックに由来する分子間距離が約3.4Åと非常に小さく、高い結晶性を示すことがわかった。この要因として、PQIT三量体モデルの量子計算から、QI骨格とチオフェン環の間の二面角が10°以下と比較的小さく、ポリマー主鎖の共平面性が高いことが挙げられる。さらに、OFETを作製しPQITの電荷輸送性を評価したところ、低いLUMO準位と高い結晶性に起因して、1.0 cm2/Vsを超える高い電子移動度を示すことを確認した。