東大ら,最高レベルの電気伝導度の高分子材料を開発

東京大学,物質・材料研究機構,科学技術振興機構(JST),産業技術総合研究所(産総研)らは,従来よりも高い結晶性と伝導特性を有する導電性高分子の開発に成功した(ニュースリリース)。

高分子半導体は溶液を塗って乾かすだけで製膜可能な次世代のエレクトロニクス材料として注目されている。高分子半導体を導電性材料として用いるには電荷を注入するドーピング処理によって,電気伝導特性を向上させる必要がある。

通常は高分子半導体と酸化還元反応を生じるドーパント分子を高分子膜に導入する手法が用いられる。このとき,ドーパント分子はアニオン(陰イオン)として高分子膜内部に残るが,ドーパント分子はランダムな配置をとるために,高分子半導体の結晶性が損なわれることが一般的だった。

そこで研究グループは,これまでより強い酸化力を有するラジカル塩ドーパントを開発した。その溶液に高分子半導体の薄膜を浸漬するドーピング操作を行なったところ,高分子の繰り返し単位当たり1個のドーパント分子が導入される非常に高いドーピング量が実現された。

通常の高分子膜は乱れた構造をとることが一般的だが,ドーパント分子が高分子半導体の隙間にパズルのように納まることで,非常に規則正しい配列を有した共結晶を形成し,作製した薄膜は高い配向性を持った共結晶構造が大部分を占めていることが分かった。

今回の研究で,強力な酸化反応により導電性高分子膜に高密度で充填されるドーパント分子が自発的に配列する新奇な現象が薄膜スケールで実証さた。また,今回開発された共結晶を有する導電性高分子は高い電気伝導度や白金などの貴金属に匹敵する高い仕事関数を示すことがわかった。さらに,ドーパント分子種を最適化することで大気安定性を向上させることもできた。

このような薄膜の電気伝導特性は共結晶性の領域に由来する金属的な伝導が支配的であることが知られているが,今回の研究によって,ミクロな共結晶構造の設計によりマクロな電気伝導度の制御が可能であることが示唆された。

研究グループは,さまざまな分子性イオンが充填・配列化された高分子半導体薄膜は大面積で容易に形成できるため,今後さまざまな機能性電子・イオン材料としての研究が期待されるとしている。

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