東大,有機半導体向け電子不足π電子骨格群を開発

東京大学の研究グループは,電子不足なπ電子系骨格に環状アミドを縮合させた,新たなπ電子系ベンゾ[de]イソキノリノ[1,8-gh]キノリンジアミド(BQQDA)骨格を開発した(ニュースリリース)。

電子受容性を示すπ電子系分子は,n型有機半導体や電子アクセプターと呼ばれ,種々の有機半導体デバイスにおいて電子の授受や伝導を担う。電子受容性の獲得や向上には,電子が豊富なπ共役系から電子を周囲に引っ張り,π電子系骨格を電子不足にする必要がある。

しかし,電子不足にすることで化学反応性が低下するため,このような電子不足π電子系分子の合成や拡張は一般に容易でない。そのため,有機半導体デバイスの性能を向上させ,実用性を高めるために,高機能性かつ生産性に適したπ電子系骨格および分子群が求められている。

研究では電子不足を制御するため,BQQDIの環状イミド結合をより電子求引性の低い環状アミド結合に置き換えた,BQQDAπ電子系骨格を設計した。その効果を検証したところ,LUMO準位が大幅に上昇することがわかった。また,BQQDA骨格の一部の元素や官能基を置換することで,LUMO準位の制御が可能なことが期待された。

そこでBQQDAの合成を検討したところ,以前開発したBQQDIと共通の前駆体を用いることで,1ステップでBQQDAを合成できることがわかった。さらに,元素や官能基の置換についても検討を行ない,BQQDA骨格を基軸とした官能基の導入や,アミドからチオアミドへの変換が可能であることを明らかにした。

さらに,BQQDAの2つのアミド部位のうち,片方のみをチオアミド化したBQQMTAと,両方を変換したBQQDTAとを単離することに成功し,より詳細な物性制御に展開できることがわかった。

実際に得られたBQQDA化合物群のLUMO準位は,およそ計算値と一致し,−3.6eVから−4.1eVの広い範囲で変調されることを明らかにした。また,可視光吸収特性を調べたところ,電子受容性と同様に,官能基や元素置換による段階的な光吸収帯の変化を観測した。

このような幅広い電子受容性および光学特性示すBQQDA化合物群は,目的とする有機半導体デバイスに適して選択することができるため,有用な有機半導体材料だとする。

最も深いLUMO準位を示したシアノ置換BQQDA−CN2誘導体を用い,有機電界効果トランジスタを作製したところ,塗布法により単結晶薄膜を基板上に成膜することができ,大気下で安定に駆動可能な,約1cm2V-1s-1の良好な電子移動度が示されたという。

これは,BQQDA化合物群自身の研究の足掛かりとなるだけでなく,有機化学や有機半導体デバイスを中心とする関連研究分野の今後の発展に大きなインパクトを与えるとしている。

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