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高移動度と溶解性の両立を実現した高性能な有機半導体を開発 ~塗布プロセスで作る高移動度のトランジスタに期待~

 東京大学,富山高等専門学校,筑波大学,北里大学,国立研究開発法人理化学研究所(RIKEN),関西大学,公益財団法人高輝度光科学研究センター(JASRI),国立研究開発法人産業技術総合研究所(AIST),同 科学技術振興機構(JST)は2020年8月20日,東京大学 大学院新領域創成科学研究科 岡本 敏宏准教授らの研究チームが,特異な構造相転移挙動により,高溶解性・高移動度・環境ストレス耐性を実現した高製造プロセス適性かつ高性能有機半導体を開発した,と発表した.本成果は,JST戦略的創造研究推進事業さきがけによって得られ,Journal of the American Chemical Society誌で公開された(注).

 有機半導体(OSC)は,軽量・柔軟,製膜容易などのため,プリンテッド・フレキシブルエレクトロニクスの材料として期待される.その高性能化には,キャリア移動度の向上が求められ,炭素二重結合に関与する2種の電子の中で分子全体に広がれるπ電子が二次元的に凝集した分子を設計する.しかし,このような分子は有機溶媒に溶けにくく,塗布プロセスに向かない.移動度と溶解性は二律背反の課題であった.

 これに対し,本研究チームは,デシル基で置換した2個のビナフタレンを,セレンを含む5員環構造でV字形に結合して,セレン架橋V字型半導体分子(C10-DNS-VW)を合成した.この分子を,大型放射光施設SPring-8(ビームラインBL02B1)のX線で構造解析を行ったところ,C10-DNS-VWは,高溶解性で電荷輸送に不利な1次元集合体構造と,低溶解性で電荷輸送に有利な2次元集合体構造の異なる2種類の集合体構造をとることが分かった.高溶解性の1次元集合体は溶媒に1wt%以上溶解するので,これを利用して塗布プロセスの適用が可能であり,成膜後の加熱処理で電荷輸送に有利な2次元構造に相転移させることができる.この手法で作成したC10-DNS-VW単結晶薄膜を用いたトランジスタで11cm2/Vs の高移動度,良好な電荷注入特性,高環境ストレス耐性を確認して,高移動度と溶解性の両立に成功した.

 本研究は,OSCの新しい分子デザイン指針を示し,フレキシブルデバイスの開発加速を期待している.

(注)T. Okamoto, M. Mitani, C. P. Yu, C. Mitsui, M. Yamagishi, H. Ishii, G. Watanabe, S. Kumagai, D. Hashizume, S. Tanaka, M. Yano, T. Kushida, H. Sato, K. Sugimoto, T. Kato, and J. Takeya, "Alkyl-Substituted Selenium-Bridged V-Shaped Organic Semiconductors Exhibiting High Hole Mobility and Unusual Aggregation Behavior", Journal of the American Chemical Society, 2020 DOI: 10.1021/jacs.0c05522; Publication Date: August 19, 2020