広島大,n型ポリマー半導体の移動度を5倍以上に

広島大学,東京大学,物質・材料研究機構,高輝度光科学研究センターは,電子輸送性ポリマー半導体の高性能化に有望な新しいπ電子系骨格を開発した(ニュースリリース)。

ポリマー半導体は,印刷プロセスで簡便に薄膜化できる半導体であり,有機トランジスタ素子,有機薄膜太陽電池や有機熱電変換素子など次世代のプリンテッドデバイスへの応用が期待されている。

ポリマー半導体には,電荷がホールであるp型半導体と電荷が電子であるn型半導体があるが,p型に比べてn型ポリマー半導体の開発は大きく遅れている。ポリマー半導体がn型半導体としての性質を持つためには,電子受容性が高いことが重要であり,高い電子移動度を示すためには,ポリマー半導体の主鎖の平面性が高く,主鎖同士が秩序高く配列する必要がある。

これらの性質はポリマー半導体の主鎖を構成するπ電子系骨格に大きく依存するが,これまではこれらの性質を併せ持つポリマー半導体を開発するために必要なπ電子系骨格の種類が限られていた。

この理由として,イミド基が立体障害となり,電子輸送パスとなるポリマー主鎖の平面性が崩れ,ポリマー主鎖の配列構造を乱すことが挙げられる。そこで研究グループは今回,立体障害がない新規なイミド基をもつπ電子系骨格の開発に取り組んだ。

研究の結果,イミド基を有する新しいπ電子系骨格を合理的に分子設計・合成することで,高い電子受容性と秩序高い配列構造を有するポリマー半導体「PNPI2T-oF2」の開発に成功した。また,今回開発したポリマー半導体を用いて作製した有機トランジスタ素子の電子移動度は0.7cm2/Vsと,ベンチマーク材料を用いた素子より5倍以上も高い電子移動度を示した。これは,アモルファスシリコンと同等の性能となる。

今後,PNPI2T-oF2の化学構造を最適化することで,さらに電子移動度が向上することが期待できるという。また現在,今回開発したポリマー半導体を有機薄膜太陽電池や有機熱電変換素子などへ応用することも検討している。研究グループはこれにより,IoT社会,低炭素社会実現に貢献することができるとしている。

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