京大、有機EL素子の高効率化に繋がる準平面型構造の有機半導体材料を開発

京都大学(京大)は、独自に設計した準平面型の骨格を用いて、電荷輸送特性に顕著な異方性を示す、有機半導体材料を開発したと発表した。

同成果は、同大 化学研究所の若宮淳志准教授、村田靖次郎教授、梶弘典教授、福島達也助教、西村秀隆大学院生らによるもの。詳細は、ドイツ科学誌「Angewandte Chemie International Edition」のオンライン版に掲載された。

有機エレクトロニクスにおける共通の課題の1つとして、電荷を流しやすい優れた有機半導体材料の開発が挙げられる。限られた大きさをもつ有機分子を用いて高い電荷輸送特性を実現するためには、固体状態で分子の並び方(配向・配列)を制御することが重要となる。従来の有機半導体材料では、結晶性の材料には強固な平面型の骨格のもの、非晶質の材料にはねじれたプロペラ型のものが一般的に用いられてきた。これまで、結晶中での分子の配向と電荷輸送特性の相間関係に関する研究は進んでいるが、太陽電池や有機EL素子で用いられる非晶質膜中で、分子がどのように並び、電荷輸送特性にどのように影響を及ぼしているのかは依然不明確であり、分子の設計が立てにくいという状況にあった。

そこで、研究グループは、固体中での分子の配向・配列の制御を指向した独自の骨格として、準平面型の構造をもつ有機半導体材料を設計・開発した。これらの分子は準平面型構造に起因して、結晶中で分子が1次元方向に完全に重なった形で分子が並ぶことがわかった。この分子の配向・配列を反映して、結晶では電荷の移動度に大きな異方性が観測された。さらに、この分子は結晶中だけでなく非晶質膜中でも、電荷移動特性に大きな異方性を示すことを見出した。測定の結果、準平面型構造をもつ分子は非晶質でも基板に垂直方向に分子が重なった配列構造をある程度保っていることが明らかとなり、これにより高い電荷移動特性を示すことがわかったとしている。

今回の発見により、これまで不明確であった非晶質有機半導体材料開発の分子設計に新しい指針を与え、高い電荷輸送特性をもつ有機半導体材料開発に道が拓かれる。また、準平面構造を用いた有機半導体材料の開発を進めることにより、基板に垂直方向に高い電荷輸送特性が必要とされる有機EL素子や有機太陽電池の飛躍的な高効率化の実現につながることが期待されるとコメントしている。