Efficient carrier transport in organic semiconductors through molecular orbital overlap engineering

溶液の塗布により電子デバイスを作製するプリンテッドエレクトロニクス技術がここ数年で大きく進展し、軽量かつ柔軟な電子デバイス製造への応用が現実的になってきている。特に、薄膜トランジスタ（TFT）に適した、有機半導体の開発と、塗布プロセスの進化の相乗効果により、高いスイッチング性能を示す有機TFTの構築が可能になってきた。一方で、デバイス移動度の向上は依然として大きな課題となっている。そこで、本研究課題では、こうした有機TFTにおける高効率なキャリア輸送を実現するために、薄層内隣接分子間の「軌道の重なり」を設計・制御する技術の開拓を進める。本年度はこうした軌道の重なりを設計するために、分子配列の安定性について調べた。特に、昇温に伴う結晶の相転移について重点的に調べるとともに、電子ドナーおよびアクセプターからなる共結晶の構造的特徴について調べた。薄膜の昇温観察をもとに、ベンゾチエノベンゾチオフェン（BTBT）骨格を炭素数nの直鎖アルキル基で置換したモノCn-BTBT系において、薄層内部の映進対称性が顕著な変化を示すことを見出した。この相転移の起源を、異なるアルキル鎖長nに対する系統的な量子化学計算や熱物性測定から調べた。これにより、隣接するアルキル鎖間・BTBT骨格間の相互作用が競合することで構造選択が起こっていることを明らかにした。本研究により、異なる層内配列多形を制御するための指針が得られた。さらに、電子ドナーおよびアクセプターからなる共結晶（DA）の構造的特徴について調べた。BTBT誘導体と、テトラシアノキノジメタン（TCNQ）のフッ素置換体を用いてDA化合物を作製した。得られた結晶の構造解析から、14種類のDA化合物で同型の層状配列構造が得られることを明らかにした。分子間相互作用の解析から、この構造の安定性を議論した。

溶液の塗布により電子デバイスを作製するプリンテッドエレクトロニクス技術がここ数年で大きく進展し、軽量かつ柔軟な電子デバイス製造への応用が現実的になってきている。特に、薄膜トランジスタ（TFT）に適した、有機半導体の開発と、塗布プロセスの進化の相乗効果により、高いスイッチング性能を示す有機TFTの構築が可能になってきた。一方で、デバイス移動度の向上は依然として大きな課題となっている。そこで、本研究課題では、こうした有機TFTにおける高効率なキャリア輸送を実現するために、薄層内隣接分子間の「軌道の重なり」を設計・制御する技術の開拓を進める。本年度はこうした軌道の重なりを設計するために、分子配列の安定性について調べた。特に、昇温に伴う結晶の相転移について重点的に調べるとともに、電子ドナーおよびアクセプターからなる共結晶の構造的特徴について調べた。薄膜の昇温観察をもとに、ベンゾチエノベンゾチオフェン（BTBT）骨格を炭素数nの直鎖アルキル基で置換したモノCn-BTBT系において、薄層内部の映進対称性が顕著な変化を示すことを見出した。この相転移の起源を、異なるアルキル鎖長nに対する系統的な量子化学計算や熱物性測定から調べた。これにより、隣接するアルキル鎖間・BTBT骨格間の相互作用が競合することで構造選択が起こっていることを明らかにした。本研究により、異なる層内配列多形を制御するための指針が得られた。さらに、電子ドナーおよびアクセプターからなる共結晶（DA）の構造的特徴について調べた。BTBT誘導体と、テトラシアノキノジメタン（TCNQ）のフッ素置換体を用いてDA化合物を作製した。得られた結晶の構造解析から、14種類のDA化合物で同型の層状配列構造が得られることを明らかにした。分子間相互作用の解析から、この構造の安定性を議論した。