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世界初!大気?熱?バイアスストレス耐性を有する高信頼性かつ高移動度電子輸送性有機半導体材料の開発に成功

2020/05/02

東京大学大学院新領域創成科学研究科の岡本敏宏准教授、熊谷翔平特任助教、筑波大学数理物質系の石井宏幸助教、北里大学理学部物理学科の渡辺豪講師、産業技術総合研究所 産総研?東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリは、高信頼性かつ高移動度、大気、熱、バイアスストレス耐性を併せ持つ実用に耐えうる塗布型n型有機半導体材料の開発に世界で初めて成功しました。

パイ電子系分子からなる有機半導体は、電子と正孔が伝導できる従来の無機半導体とは異なり、一般に正孔が伝導しやすく、これまで多くの正孔輸送性(p型)有機半導体が開発されています。その中で、昨今の精力的な有機半導体の開発により、現在実用的に用いられている無機半導体のアモルファスシリコンよりも1桁以上高い10 cm2 V-1 s-1級の正孔移動度を有する有機半導体が報告されています。この移動度に加えて、実用に必要な環境ストレス耐性を示す印刷可能なp型有機半導体材料も報告されています。一方で、近未来のIoT社会のキーデバイスである電子タグやマルチセンサーなどのハイエンドデバイスのためには、正孔移動度と同程度の電子移動度に加えて、環境ストレス耐性も併せ持つ電子輸送性(n型)有機半導体の開発が喫緊の課題でした。

研究グループでは、この課題に斬新かつ合理的な分子設計で挑むことで、高移動度と環境ストレス耐性を併せ持つ実用に耐えうる塗布型n型有機半導体であるPhC2–BQQDIの開発に世界で初めて成功しました。この優れた半導体性能は、第一に無機半導体に類似したバンド伝導機構に起因するものであることが実験的に示されました。また、第二に、有機半導体特有の伝導阻害の主要因である分子間振動が、分子設計により効率的に抑制されたことが、分子動力学計算および伝導計算により実証されました。

今回開発したPhC2–BQQDIからなるn型有機半導体は、印刷法による安価かつ低環境負荷の電子タグなどの開発を大いに加速し、また、高熱ストレス耐性に加えて、還元体の安定性を有するバンド伝導性PhC2–BQQDIをベースとした未利用エネルギーを有効活用するエネルギーハーベストである熱電変換素子などの次世代のプリンテッド?フレキシブルエレクトロニクス分野の起爆材料となることが大いに期待されます。


図 本研究のn型有機半導体BQQDIのa)分子構造、b)単結晶中での隣接2分子およびc)パッキング構造(注20)様式

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