将咖啡中含有的咖啡酸用于有机半导体器件！ ？

将咖啡中含有的咖啡酸用于有机半导体器件！ ？

2023/09/27

咖啡中含有的咖啡酸用于有机半导体器件！ ？ 迈向减少环境影响的全生物材料半导体的第一步

　“半导体器件的设计和材料选择也需要假设它们最终会被丢弃。”
　纳米材料研究部研究半导体材料的 Yukinori Akaike 这么认为。随着社会物联网的快速发展，电子设备随处可见，其中半导体的数量预计将迅速增加。这也意味着社会的环境负担将会增加。赤池本能地注意到咖啡中含有一种叫做咖啡酸的物质和将咖啡酸应用于有机半导体器件，使流动电流增加100倍(2022/12/03 新闻稿文章 ）
　用于有机EL显示器等的有机半导体轻且柔软，其应用范围有望扩大。他们未来的目标是证明咖啡酸实际上可以用于有机发光二极管和有机薄膜太阳能电池等器件，并扩大应用范围。在未来，“仅由生物材料衍生物质制成的有机半导体器件”可以开发在减少环境影响方面社会影响很大我们向开发它的研究人员询问了它的历史和未来前景。

我想将生物材料用于有机半导体

　作为纳米材料研究部高级研究员的赤池幸典的研究主题是电子器件，特别是半导体材料。 “随着电子设备对环境的影响成为一个社会问题，我想知道我们可以在生物材料方面走多远。我的最终目标是创造一种完全由生物材料制成的有机半导体设备，但首先我想证明生物材料可以用于电子设备。”

　赤池意识到这个问题的原因是，随着物联网的进步，各地使用半导体的电子设备数量不断增加。其中，Akaike专注于有机半导体。使用有机半导体的典型产品是有机EL显示器，它也用于智能手机等可折叠屏幕。此外，有机薄膜太阳能电池也是由有机半导体制成的。

　使这种轻质且柔性的半导体器件成为可能的有机半导体具有三个特性。首先，由于有机化合物的分子通过弱键相互连接，因此具有无机半导体所不具备的柔性。接下来，可以自由设计分子，并且可以根据目的设计有机化合物，以制造具有所需特性的半导体。此外，微加工很容易，可以通过在其上喷射液体以使用打印机创建图案来完成。尽管与使用硅晶体的无机半导体相比，性能仍有改进的空间，但有机半导体具有有用的特性。

　由于这些特性，Akaike 预测有机半导体器件未来将被纳入许多显示器和传感器中。 “如果未来使用的半导体设备数量将急剧增加，我开始思考也许我们应该考虑这样一个事实：半导体在其用途结束时会损坏或最终被丢弃，我们应该创造一些对环境影响较小的东西。”

有机半导体器件的结构由堆叠的电极、修饰电极的缓冲层和有机半导体层组成。电极与有机半导体层之间的缓冲层具有提高空穴注入效率的功能，迄今为止该层一直由导电聚合物或过渡金属氧化物制成。赤池想知道生物材料是否可以应用于该缓冲层。

　本实验中使用的有机半导体器件的结构是，电极使用ITO（氧化铟锡）和铝，有机半导体层使用称为P3HT的聚合物。当咖啡酸用作ITO电极和有机半导体层之间的缓冲层时，发现可以流动高达100倍的电流。

　我们能够证明，对环境影响较小的生物材料可以用作有机半导体器件的材料，而不是常用的合成聚合物和金属氧化物。此外，在一系列研究中，即使将电极改为ITO以外的材料（例如金），也观察到类似的效果，证实了它是缓冲层的通用材料。

为什么是咖啡酸？

　这项研究成功的关键是选择咖啡酸作为缓冲层的材料。咖啡酸是咖啡渣中非常常见的物质，可以从试剂公司购买。然而，迄今为止还没有将其用作半导体缓冲层的例子。

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　对于这个问题，赤池微笑着回答说：“因为它的结构很简单。”

　我喜欢观察各种分子的结构并想象它们具有什么性质。许多生物分子具有复杂的结构。有时这是一件好事，但在这种情况下，我不仅仅要把它们排列在电极上，我必须实现注入空穴的功能，所以我直觉地认为简单而小的分子会更好。

　在寻找可能起到缓冲层作用的材料时，还需要满足两个条件。

　一是它是极性分子。极性是指分子内正电荷和负电荷之间的不平衡，其大小可以通过称为永久偶极矩的指标来确定。分子的极性降低了电极和有机半导体层之间的能垒，使得空穴更容易注入。

　见过各种分子的赤池直观地知道咖啡酸具有高极性。当我们实际计算偶极矩时，我们确认它具有434德拜的大极性。

　另一件重要的事情是分子在电极上以相同的方向排列。即使分子具有极性，如果它们分裂，能量势垒也无法降低。在这里起主要作用的是咖啡酸的儿茶酚基团和位于苯环邻位的两个羟基。

　贻贝用来粘在岩石表面的粘合剂以及清漆中都含有儿茶酚基团，并以其强大的粘合强度而闻名。我认为如果这个基团连接到电极上，咖啡酸就会朝着相同的方向取向。我意识到这一点是因为我正在与这项研究分开研究粘合剂。

　赤池根据过去的研究成果凭直觉选择了咖啡酸这一简单分子，并证实其具有充当缓冲层的能力。此外，还发现邻苯二酚基团对电极的强粘附力对于制造有机半导体器件具有积极效果，因为即使使用各种化学品，它们也不会剥离。同样重要的是，可以使用半导体制造工艺中已经使用的方法（例如真空蒸发和旋涂）将咖啡酸形成薄膜。

识别“接口”

　目前结果背后的想法是，我们关注“界面”，即电极和有机半导体之间的边界。

　赤池和细贝在学生时代都致力于用光谱观察分子在基材表面的排列方式。赤池说，他之所以得出这个想法，正是因为他在对待材料和现象时认为，材料的“表面”和不同材料接触的“界面”是决定材料功能的关键。

　半导体器件是由许多堆叠层组成的“界面怪物”。界面的属性极大地影响性能，因此不仅每层的材料很重要，而且相互接触的材料的兼容性也很重要。我认为找到适合目的的生物材料的难度与合成新分子的难度没有太大区别。我们非常幸运能够根据我们之前的研究直接得到咖啡酸。”

　在这个实验中，我们能够确认可以通过的电流量增加了。接下来，我们将详细分析咖啡酸在电极上的实际排列方式，以及什么样的条件导致了我们获得的结果。

为社会提供环保设备

毫无疑问，未来将需要环境友好的有机半导体器件。另一方面，对于已经投入实际使用并表现出足够性能的产品来说，更换材料并不容易。

赤池说道。 “为了使咖啡酸成为一种有用的材料，我们必须首先证明它可以用于特定的器件，例如有机发光二极管和有机薄膜太阳能电池。”

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　这一结果开启了在注入带正电的空穴一侧的缓冲层中使用咖啡酸的可能性。未来我们将研究注入负电电子的缓冲层的材料，以及用生物材料替代有机半导体层本身。这些材料的选择需要熟悉生物材料和生物可降解材料的研究人员的合作。

此外，未来当咖啡酸真正可以用于有机半导体器件的生产时，不仅要开发技术，还要考虑如何将其纳入制造周期，例如如何将咖啡酸的来源咖啡渣纳入制造周期。

　赤池和细贝在学生时代就相识，并巧合地在同一工作场所一起从事研究工作。

　两名研究人员继续接受“使用环保生物材料创建有机半导体器件”的挑战。