分子科学研究所(IMS)は、共役2次元高分子を化学的に合成し、高速キャリア移動を可能とする新たな有機半導体を開発したと発表した。

同成果は、同所 分子機能研究領域の江東林准教授らによるもの。詳細は、「Nature Communications」に掲載された。

共役高分子は広がったπ電子系を持ち、発光材料やセンサ、光電変換などに応用されている。共役高分子が、有機半導体として高い機能を発揮するためには、いかに高い分子秩序を作り出すかが鍵となる。高分子鎖は容易に会合し、秩序を持って配列させることは容易ではない。これまで、秩序ある配列を作り出すために、自己組織化や液晶など様々なアプローチが検討されてきたが、周期的な分子構造を持たないため、根本的には解決されていないのが現状である。

2次元高分子は、積層することによって1次元の微細な穴を有する多孔性有機骨格構造体を形成する。これまで、研究グループでは2次元高分子にπ電子系を導入することで、新規のπ電子系2次元高分子の合成を行ってきた。最近では、2次元高分子を用いて、光捕集機能、ホールや電子の伝導機能、光伝導機能、ガス吸着機能、センシング機能などを見出し、従来の高分子にはない特異な機能を開拓してきた。

今回、2次元高分子の構築に縮合反応を用いることで、フェナジンと呼ばれる化合物で連結した共役2次元高分子を、高収率で得ることに成功した。この2次元高分子は、共役鎖が高度に配列されており、周期的な構造を有する。シート内では、周期的な鎖構造および規則正しい細孔を有している。2次元高分子は積層することで、高い結晶性を有する有機骨格構造体を形成し、骨格全体にわたって周期的な秩序をもたらす。これは、従来の共役高分子にはない特異な配列構造で、1次構造から高次構造まで完全に制御したことになるとしている。

フェナジンで連結した共役2次元高分子の骨格構造(赤は窒素、灰色は炭素)

周期的な配列構造は電荷キャリアの移動経路を提供し、高速移動を可能とする。実際、この共役高分子は4.2cm2V-1s-1という高いホール移動度を示す。これは、報告されている2次元高分子の中でもトップクラスの値である。また、今回合成した2次元高分子の細孔に、電子アクセプタとしてフラーレンを導入することで、2次元高分子とフラーレンからなる電子ドナーアクセプタ電荷分離システムを構築することができる。この電荷分離システムは、高い光伝導性を示し、可視光を照射すると極めて大きな光電流を生み出す。2次元高分子からなる光伝導性スイッチは、1000万:1という高いオン/オフ比を示した。これは、電子ドナーとアクセプタでそれぞれ独立した2相構造が形成され、かつ連続して周期的に配列した究極の接合システムを作り出しているためである。さらに、スピンコーティングで薄膜を作製し、光電変換機能を検討したところ、0.98Vという高い開放電圧を示した。今後、デバイス構造を最適化することにより、効率的な光電変換が期待できるとしている。

共役2次元高分子の積層構造(CS-COF)、および細孔にフラーレンアクセプタを内包した電子ドナーアクセプター分子システム(CS-COF□C60)

合成した共役2次元高分子では、共役鎖は規則正しく配列しており、キャリア移動の経路が予め用意されている。これに対し、従来の共役高分子は、秩序構造を持たないため、キャリア移動が複雑になり、キャリアが容易にトラップされてしまう。今回の結果は、2次元高分子という特異な共役鎖を利用することにより、複雑な分子会合をなくし、3次元的に周期構造をもたらすことを可能にしている。つまり、最大限のキャリア移動を可能とする特異な配列構造のデザインが実験的に可能になったことを示している。

今回、開拓された周期的な構造を有する共役高分子は、高速キャリア移動を可能とし、かつ極めて高い光伝導性をもたらすものである。このように、配列構造が完全に制御された共役2次元高分子は、様々な応用を期待できるとコメントしている。