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机能性有机半导体材料の合成と机能开拓
理工学部 物理?材料理工学科マテリアルコース
准教授 葛原 大軌
有机合成化学
现在、电子机器は我々の日常生活を支え必要不可欠な存在となっています。电子机器にはトランジスタ、ダイオード、太阳电池などの様々な半导体デバイスが使用されています。その材料は主に厂颈や骋补础蝉に代表されるの无机半导体ですが、作製の际に多大なエネルギーを消费することが问题视されています。そのため、环境负荷の少ない方法でデバイスを作製することのできる新材料の研究、开発が求められています。新しい材料として半导体特性を示す、有机半导体が注目されています。有机半导体は軽量、柔软性が高い、低エネルギー、低コストで作製が可能などといった利点があります。最近では、実用化された有机贰尝ディスプレイだけではなく、軽量性や柔软性を活かしたセンサーへの応用を目指した薄膜トランジスタや携帯电源や室内発电への応用を目指した有机薄膜太阳电池の研究も活発に行われています。しかし、有机半导体の材料理工学には未だに多くの解决すべき课题が残されているのが现状です。そこで私たちの研究室では、有机合成を用いた新奇机能性有机半导体材料の开発と有机分子を思い通りに配列させるための薄膜作製技术および薄膜构造解析の研究を行っています。
新奇构造をもつ有机材料の探索と机能开拓
有机半导体材料は主に炭素やヘテロ原子(酸素、硫黄、窒素など)から构成され、様々な分子构造を持ちます。有机デバイスの性能は有机半导体材料の构造や性质に左右されるといっても过言ではなく、これまでに新しい有机半导体材料の开発によるゲームチェンジが起きています。そのため、新たな构造をもつ有机半导体材料の开発は大変重要です。
私たちの研究室では、ベンゼン环や硫黄や窒素を含むヘテロ环からなる环状分子に着目し、新奇分子の研究开発を行っています。一般的に、有机半导体材料に用いるπ共役分子は平面性が高いものが多いですが、分子构造を工夫することで、平面の分子を屈曲させることが可能です。すると分子を屈曲させることによって、平面性の分子とは异なった光?电子物性を示すため新规材料としての利用が期待されています。これまでに、私たちの研究室ではポルフィリン骨格を含む环状分子の简易合成法を报告しました摆1闭。この合成法では简便かつ少ない合成ステップで环状分子を构筑することができます。さらに、この环状分子には空孔を有しているため、フラーレンなどのゲスト分子を包摂することができます。これらの特性は、外部刺激によって有机半导体材料の性质を変化させることが可能であるため、センサー材料などへの応用が期待できます。
以上のようにこれまでに谁の见たことも手にしたことのない分子の设计?合成にチャレンジしていくことで、有机分子の可能性を広げる研究に取り组んでいます。
化学反応を巧みに用いた有机薄膜の作製と构造评価
有机デバイスは多数の薄膜からなる多层构造のデバイスです。その薄膜一层の厚さは100ナノメートル程度(髪の毛の约1000分の1)とすごく薄い膜です。このような薄い膜を用いることから、有机薄膜の作製法は有机デバイスの性能に大きな影响を及ぼします。そのため、有机薄膜の作製プロセスの最适化と有机薄膜の评価法を确立する必要があります。
私たちの研究室では、この有机薄膜形成过程において化学反応を巧みに用いることで、机能性薄膜の作製を目指して研究を行っています。これまでに、光によって溶媒への溶解度が変化する材料に着目して、多层膜の作製を行いました。溶媒に可溶かつ光反応性置换基を组み込んだペリレンジイミドに光を照射すると、光化学反応が进行し、溶媒への溶解度を低下させることができます。この反応を活用すると、有机溶媒に可溶な薄膜から有机溶媒に溶けない薄膜に変化させることができます。すると、不溶化させた薄膜の上に新たに薄膜を作製することが可能です。この手法を使えば、インクジェットプリントなどの装置を用いて多层膜のデバイスを简便に作製することが期待できます。
上记の薄膜作製法以外にも、重缩合反応を用いた2顿高分子薄膜の作製やクリック反応を活用した高分子薄膜の作製にもチャレンジしています。これらの方法が确立できれば、多层膜构造からなる有机薄膜太阳电池や薄膜センサーの性能向上に贡献できると期待しています。さらに、吉本教授と协力して、厂笔谤颈苍驳-8の高辉度の齿线を用いて有机薄膜构造の解析にも取り组んでいます。
以上のように、私たちの研究室では、有機半導体デバイスの開発に必要な1)新規有機半導体材料の開発、2) 有機薄膜の作製プロセスの研究、3) 有機薄膜の構造解析について研究を展開しています。今後、これらの研究を発展させていくことで、これまでになかった生活の質を高める新しいデバイスの開発に繋げられるのではと期待して日々研究を行っています。
これまでの研究について详しくは研究室贬笔に掲载していますので御覧ください。
参考文献
[1] D. Kuzuhara, et al, Org. Lett. 2019, 21, 2069.