最新の研究成果

発表のポイント

◆単一成分でホールと電子の双方を流すことのできるアンバイポーラ型の分子性半導体材料を開発した。
◆従来の電子輸送材料の多くは、酸素や水を厳しく排除する真空状態や不活性ガス雰囲気下で用いられてきたが、大気下で高安定、かつ優れたホール・電子輸送性を示す材料を実現した。
◆高性能かつ大気安定なアンバイポーラ型半導体材料の設計指針を確立し、有機太陽電池などの次世代型有機エレクトロニクスデバイスへの応用が期待される。 

発表概要

大阪公立大学大学院工学研究科の牧浦 理恵准教授、武野 カノクワン研究員と東京大学物性研究所の伊藤 雅聡大学院生、藤野 智子助教、森 初果教授のグループおよび尾崎 泰助教授は、Lei Zhang大学院生（研究当時）、横森 創研究員（研究当時、現在：立教大学理学部化学科助教）、産業技術総合研究所電子光基礎技術研究部門の東野 寿樹主任研究員の協力のもと、分子量のそろった低分子材料を用いて大気下で安定な、ホールと電子の双方を流すことのできるアンバイポーラ型半導体材料の開発に成功しました。

有機エレクトロニクスデバイスの発展を担う新しい半導体材料として、ホールを輸送するp型半導体と、電子を輸送するn型半導体の両方の性質を兼ね備えたアンバイポーラ型半導体が注目されています。特に大気中での安定な材料の実現が難しく、別々のp型半導体とn型半導体を複合させた材料や一部のポリマー型材料などでこうした特性が見出されてきましたが、複合材料では接触界面における伝導効率の低下や、特性の制御に重要な構造情報がポリマーにおいては入手困難である点が問題となっていました。

低分子型有機半導体材料の主流であるπ共役系分子（注１）では、こうした輸送特性の発現に必要となる電子状態を実現するのは困難でしたが、今回、d電子をもつ金属を中心に据えたd/π共役系骨格を利用することで、水・酸素と反応しにくい化学的に安定な電子構造を実現しました。この骨格に適切な側鎖（注２）を組み合わせることで高秩序性・高次元性・溶液加工性を両立させた新たな分子性半導体材料を実現しました。

本研究成果は優れたアンバイポーラ型半導体材料の実現に向けた分子設計指針を与えるものであり、有機太陽電池や有機ELといった次世代型有機エレクトロニクスデバイスへの電荷輸送材料としての応用、ならびに溶液プロセスを用いた簡便かつ低コストなデバイス製造の実現に対する貢献が期待されます。

本成果は米国化学会誌 Journal of the American Chemical Society において、2022年12月13日にオンライン掲載されました。

図１：本研究で開発したd/π共役系分子の構造式と分子積層様式の模式図（左）とその結晶性薄膜を半導体層として使用した電界効果トランジスタの模式図（右）。側鎖上の炭素数を１から２または３に伸長すると、積層様式が１次元からヘリングボーン型へと変化した。得られた２次元的な電子構造は電界効果トランジスタの安定的なキャリア伝導を可能とした。

発表雑誌

【雑誌名】「Journal of the American Chemical Society」
【論文タイトル】Ambipolar nickel dithiolene complex semiconductors: from one- to two-dimensional electronic structures based upon alkoxy chain lengths
【著者】Masatoshi Ito, Tomoko Fujino*, Lei Zhang, So Yokomori, Toshiki Higashino, Rie Makiura, Kanokwan Jumtee Takeno, Taisuke Ozaki, Hatsumi Mori*
【掲載URL】https://doi.org/10.1021/jacs.2c08015
プレスリリース全文 (822.9KB)

用語解説

（注１）π共役系分子：一重結合と二重結合が交互に連なった共役二重結合と呼ばれる構造を持つ炭素を中心とした骨格からなる分子を指す。
（注２）側鎖：共役系骨格の水素原子を置き換える形で導入された部位を指し、これにより有機溶媒への溶解性や分子積層の様式を調節することができる。

研究内容に関するお問い合わせ先

東京大学物性研究所 凝縮系物性研究部門
教授　森 初果（もり はつみ）
TEL：04-7136-3201
E-mail：hmori[at]issp.u-tokyo.ac.jp
※[at]を@に変換してください。

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