農工大,正孔輸送に優れた有機半導体材料を開発

東京農工大学の研究グループは,ポリ3-ヘキシルチオフェン (P3HT)とポリスチレン(PSt)からなるブロック共重合体が,P3HT単独のものよりも3桁以上高い正孔移動度を有することを発見した(ニュースリリース)。

現在,有機半導体材料は,有機材料が有する軽量,フレキシブル,低コストといった利点から,有機薄膜太陽電池,有機エレクトロルミネッセンス(EL),有機電界効果トランジスタ分野への応用に大きく期待されている。

有機半導体材料は一般に低分子材料と高分子材料の二種類に分類される。それぞれの特徴として,低分子材料は比較的電子や正孔の移動度が高く,真空蒸着法などで製膜が可能。一方,ポリチオフェン系をはじめとする高分子材料は低分子材料に比べると移動度はやや劣るものの,溶液塗布プロセスによる大面積化が可能といった特徴がある。

研究では,半結晶性の有機半導体であるポリチオフェンと電気的に不活性な汎用高分子であるポリスチレンからなるブロック共重合体を合成し,この高分子の薄膜が高い正孔移動度を示すことを見出した。

これまで数多くのポリチオフェン誘導体を中心とした様々な共役系高分子が合成され,その正孔輸送特性が報告されているが,今回のような極めてシンプルな分子設計により優れた正孔輸送特性の発現に成功した例はなかった。

今回の研究では,互いに相分離したポリチオフェンとポリスチレンドメイン間に形成された剛直なアモルファス領域がポリチオフェンの結晶領域を結ぶ役割を果たし,その結果,効果的な“電荷の通り道”を形成し,高い正孔移動度を発現させることに成功した。

研究グループは今後,今回合成したポリチオフェンブロック共重合体におけるポリチオフェンおよびポリスチレンの分子量や化学組成,およびそれらの違いにより形成されるさまざまな異なるレベルのミクロな階層構造がどのように正孔輸送特性に影響するのか,明らかにしていくとしている。

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