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東大・筑波大・産総研、半導体ポリマー鎖間の電荷輸送性を高める分子設計法を開発

発表日:2021年03月01日

半導体ポリマー鎖間の電荷輸送性を高める新分子設計法を開発

1.発表者:

黒澤 忠法(東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 助教)

岡本 敏宏(東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 准教授/科学技術振興機構(JST)さきがけ研究者 兼務/産業技術総合研究所 産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ 研究員 兼務)

竹谷 純一(東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 教授/マテリアルイノベーション研究センター(MIRC)特任教授 兼務/産業技術総合研究所 産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ 研究員 兼務/物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(WPI-MANA)MANA 主任研究者(クロスアポイントメント))

石井 宏幸(筑波大学数理物質系 助教)

2.発表のポイント:

◆特異な分子軌道形態を有するπ共役系モノマーユニットを半導体ポリマーに組み込むことにより、ポリマー鎖間の電荷輸送性が高まることを実証しました。

◆本研究成果の分子設計技術により、低分子半導体に匹敵する高性能半導体ポリマーの開発に繋がることが期待されます。

3.発表概要:

東京大学大学院新領域創成科学研究科、同連携研究機構マテリアルイノベーション研究センター、筑波大学数理物質系、産業技術総合研究所 産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ(注1)は、特異な分子軌道(注2)(以下、軌道)形態を有するモノマーユニット(注3)を組み込むことによって、半導体ポリマー鎖間で良好な電荷輸送性を示すことを実証しました。

有機半導体は低分子半導体と高分子半導体(以下、半導体ポリマー)の二つに大別されます。低分子半導体の電荷輸送は、π共役系分子(注4)同士の軌道の重なりの度合が大きく影響します。そのため、分子集合体構造において、いかに軌道の重なりを大きくするかを念頭に分子設計が行われています。すなわち、原子レベルの精度で分子配列(注5)を制御することが要求されます。一方、半導体ポリマーは、π共役系分子が共有結合で繋がった巨大な分子構造を有するため、ポリマー鎖内では共有結合(注6)を介してポリマー鎖内で電荷輸送が可能です。しかしながら、その巨大な分子同士は無秩序に絡み合うため、ポリマー鎖同士の軌道の重なりが大きくなるような配列をとらせることは容易ではありません。そのため、ポリマー鎖間の電荷輸送性を高めるため、配向させて鎖間の距離を縮めることに主眼が置かれていました。

研究グループでは、配列制御が困難な半導体ポリマーにおいても電荷輸送の向上が可能な軌道の重なりを実現すべく、長軸方向に同位相の軌道が広がるπ共役系分子であるChDT骨格を構成ユニットとした半導体ポリマーPChDTBTを新たに開発しました(図1)。大型放射光施設SPring-8(注7)(ビームラインBL46XU、BL19B2)における集合体構造解析によって、分岐型アルキル側鎖(注8)の分岐位置がポリマー主鎖から遠ざかることによって、π共役平面(注9)の配向様式が基板に対して平行なface-on配向(注10)から垂直なedge-on配向(注11)へと変化することが分かりました(図2)。基板に平行な方向の電荷輸送について、ポリマー鎖間の電荷輸送が有効に働くedge-on配向を誘起する側鎖を有するPChDTBT誘導体は、ポリマー鎖間の電荷輸送が有効に働かないface-on配向のものと比べて、最大で3桁高い移動度であり、既存の高結晶性半導体ポリマー(注12)に匹敵する移動度を示しました。この誘導体は量子化学計算からポリマー鎖間の電荷輸送が支配的であることが示唆され、半導体ポリマー鎖間の電荷輸送性を高める新分子設計技術を開発しました。

本研究成果は、2021年3月1日付でアメリカ化学会(ACS)の学術誌「Macromolecules」のオンライン速報版で公開されます。

本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金「ラダーD-A型共役高分子の開発と高移動度材料への展開」(課題番号:18K14295、研究代表者:黒澤忠法)、「分子間振動の抑制を基軸とした次世代有機半導体材料の創製」(課題番号:17H03104、研究代表者:岡本敏宏)、「第一原理に基づく熱電変換計算理論の開発と有機材料への応用」(課題番号:18H01856、研究代表者:石井宏幸)及び、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業(さきがけ)研究領域「微少エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出」(研究総括:谷口研二)研究課題「有機半導体の構造制御技術による革新的熱電材料の創製」(課題番号:JPMJPR17R2、研究代表者:岡本敏宏)の一環として行われました。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/605735/01_202102261533.pdf

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