東大ら,高性能な液晶性有機半導体を開発

東京大学,理化学研究所,東北大学は,分子配列の秩序と乱れが共存した高性能な液晶性有機半導体を開発し,その極薄膜が液晶凍結状態であることを捉えることに成功した(ニュースリリース)。

液晶は,棒状分子の長軸(長手方向)の配向秩序と横方向の配列の乱れが共存した固体と液体の中間状態で,表示素子として幅広く利用されている。

近年,類似の棒状分子により高性能な有機半導体が得られ,またこれらの多くが高温で液晶相に変化することが明らかとなっており,液晶が持つ優れた機能を有機半導体の高度化のために積極的に活用する研究が注目されている。しかし,これら半導体のデバイス性能は液晶状態では著しく低下することが課題となっていた。

研究グループでは,高性能な塗布型有機半導体として,キャリア輸送のもととなる剛直なパイ電子骨格を,柔軟なアルキル基などで非対称に置換した棒状分子に焦点をあてた分子開発を進めている。

これら非対称な棒状分子の多くは,分子の向きが同じ向きに揃った分子層と反対向きに揃った分子層が対をなし,これらが互い違いに積層した2分子膜型構造を形成することが明らかになっている。特に2分子膜型構造の形成によって,高い層状結晶性と飛躍的に優れたTFT性能を示す有機半導体が得られることが,最大のメリットとなっている。

これら分子材料開発を進めるなかで,パイ電子骨格をアルキル基に加えて,回転自由度を持つ新たな置換基を結合させた非対称棒状分子を開発したところ,層状性がさらに強化され,かつ液晶相との関連を強く示唆する性質が見られることが分かった。

ただし,著しい層状性により,分子レベルの厚み(数十~数百nm程度)の超極薄な結晶のみが得られるため,従来のX線を用いた構造解析は困難だった。そこで,生命科学分野だけでなく物質科学分野での本格的な活用が期待されている,クライオ電子顕微鏡を用いてこの超極薄試料の結晶構造解析を試みた。

その結果,隣接する分子どうしのパイ電子骨格の層状配列秩序が保たれつつ,分子長軸の向きが層の上下方向に完全にランダムとなる液晶性有機半導体であることが明らかになり,この新たな分子配列構造をディスオーダー型層状ヘリンボーン(d-LHB; disorder layered herringbone)構造と名づけた。

研究グループは,液晶状態の活用により層状分子配列構造を高度に制御する試みを進め,柔らかな液晶状態で高性能を示す半導体によるソフトマターエレクトロニクスの展開を進めていくとしている。

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