mile米乐m6官网 利用独特的结构相变行为开发高度适合制造工艺的高性能有机半导体

冈本俊博副教授、特聘助理教授三谷雅人、东京大学研究生院前沿科学研究生院竹谷纯一教授、东京大学工学研究生院化学与生物技术系加藤隆教授、富山国立工业大学材料与化学工程系讲师山岸正和、该系助理教授石井博之筑波大学数学与材料学系、北里大学理学院物理系讲师渡边豪、国立产业技术综合研究所AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室（注2）有高溶解度(注3)・高移动性（注4） - 我们开发了一种高性能有机半导体，非常适合制造工艺，并实现了对环境压力的抵抗力。

一般来说，有机半导体是苯环或其他有机半导体杂醇环(注5)是单键或稠环π电子系分子（注6）组成。为了提高作为半导体性能所需的电荷传输能力的指标的迁移率以及从所使用的电极注入电荷的容易程度（电荷注入能力），重要的是扩展π电子体系骨架并形成有利于电荷传输的二维聚集结构。由于迄今为止有机半导体的发展，10 cm²/Vs 级迁移率的有机半导体。然而，许多高性能有机半导体分子在常见有机溶剂中的溶解度较差，这限制了其适用的制造工艺。

研究小组认为，由于聚集结构之间存在独特的相变，这是一种具有高制造工艺适应性的高性能有机半导体，这在迄今为止报道的其他有机半导体中还没有见过。癸基取代(注7)硒交联V型分子C₁₀–DNS–开发的大众。大型同步加速器辐射设施SPring-8（注8）（光束线BL02B1），C₁₀–DNS–VW被发现形成两种不同类型的聚集结构：溶解度高且不利于电荷传输的一维聚集结构，以及溶解度低且有利于电荷传输的二维聚集结构。有趣的是，无论采用气相沉积或涂层结晶等制造工艺类型，在薄膜制造过程中都可以以良好的再现性获得有利于电荷传输的二维结构，并且在使用通过涂层工艺获得的单晶薄膜的晶体管中达到了世界最高水平的11 cm²/Vs的迁移率、良好的电荷注入特性和高环境应力耐受性。

这次开发的是C₁₀-DNS-VW有机半导体可以通过气相沉积法生产或打印方法(注9)等各种制造工艺高度兼容，电子标签、多传感器等各种高端设备的发展正在加速，下一代印刷柔性电子产品（注10）领域的起点。

该研究成果由美国化学会（ACS）于2020年8月19日发表。美国化学会杂志》网络突发新闻版发布

＜研究背景和历史＞

有机半导体是由 π 电子分子通过弱分子间力组装而成的固体，重量轻且机械柔性好。此外，通过印刷进行低温成膜可大大降低生产成本和对环境的影响，并且有望成为下一代印刷柔性电子产品的关键材料。 10 cm²/Vs级迁移率和实际使用所需的环境应力耐受性。在以往的研究中，为了提高性能（电荷传输能力和电荷注入能力），进行了旨在扩展π电子体系骨架并形成有利于电荷传输的二维聚集结构的分子设计。然而，许多使用这种分子设计开发的有机半导体在有机溶剂中的溶解度较低，这限制了制造工艺。因此，需要为高性能有机半导体创建具有高制造工艺适应性的分子设计。

＜研究内容＞

为了解决这个问题，我们课题组在独特开发的典型元素交联V型π电子体系C的交联位点中引入了硒元素和癸基₁₀–DNS–VW 已开发出来，并被证明是一种出色的半导体材料，可实现制造工艺的适用性和器件性能（图）。 C₁₀–DNS–VW，与报道的高性能有机半导体材料不同，被发现形成两种不同类型的聚集结构：溶解度高但不利于电荷传输的一维聚集结构，以及溶解度低且有利于电荷传输的二维聚集结构。我们还发现，这些聚集结构通过热处理经历从一维到二维的相变，并在良溶剂存在下从二维到一维的相变。有趣的是，无论采用气相沉积法还是涂层结晶法，C₁₀–DNS–VW 生产了一种有利于电荷传输的二维结构，在薄膜生产过程中具有良好的重现性。对于采用涂层结晶获得的单晶薄膜的晶体管，世界最高水平为11厘米²/Vs的迁移率、良好的电荷注入特性和高环境应力耐受性。分子动力学计算表明，基材表面上的二维聚集结构比一维结构更稳定。另外，C₁₀–DNS–VW 还被证明是一种溶解度大于 1 wt%（在常见芳香族溶剂中）的半导体材料，由于其在良溶剂存在下的相变行为，适用于各种印刷工艺。 C₁₀–DNS–VW 提出了下一代有机半导体的新分子设计指南。

＜未来发展＞

C₁₀–DNS–VW是一种极其优越的有机半导体，具有高性能、高制造工艺适应性和高环境压力耐受性，将迅速加速电子标签和多传感器等电子设备的开发和社会实施，这些电子设备是即将到来的物联网社会的基本技术，以及柔性轻量显示器和热电转换元件。除了成为下一代电子研发和产业的战略材料外，这项研究的新分子设计有望通过开发一组新型有机半导体为社会做出巨大贡献。

这项研究成果是通过以下项目、研究领域和研究主题获得的。

JST 战略创意研究推广项目 PRESTO
研究领域：“利用微能量创造创新的能量收集技术”
（研究主管：谷口贤二，大阪大学名誉教授，副研究主管：秋永博之，米乐m6官方网站器件技术研究部首席研究员）
研究主题：“利用有机半导体结构控制技术创建创新热电材料”
研究员 Toshihiro Okamoto（东京大学研究生院前沿科学研究生院副教授）
研究期间2017年10月至2021年3月

Toshihiro Okamoto（东京大学前沿科学研究生院材料科学系副教授/
　日本科学技术振兴机构 PRESTO 研究员/
米乐m6官方网站、产业技术综合研究所/东京大学、先进操作数测量技术开放创新实验室、客座研究员）
三谷雅人（东京大学前沿科学研究生院材料科学系特聘助理教授）
Masakazu Yamagishi（富山国立工业大学材料与化学工程系讲师）
Hiroyuki Ishii（筑波大学数学与材料系助理教授）
渡边刚（北里大学理学院物理系讲师）
Daisuke Hashizume（RIKEN 突发物质科学中心材料评估支持小组组长）
矢野雅文（关西大学化学与生物技术学院副教授）
Kunihisa Sugimoto（高亮度光子科学研究中心衍射与散射促进办公室高级研究员）
Takashi Kato（东京大学工程研究生院化学与生物技术系教授）
Junichi Takeya（东京大学前沿科学研究生院材料科学系教授/
材料创新研究中心（MIRC）特聘教授/
　米乐m6官方网站、产业技术综合研究所/东京大学、先进操作数测量技术开放创新实验室、客座研究员/
　国立材料科学研究所、国际纳米建筑中心 (WPI-MANA) MANA 首席研究员（交叉任命）

杂志名称：“美国化学会杂志” （日期为 2020 年 8 月 19 日）
论文标题：烷基取代的硒桥 V 型有机半导体表现出高空穴迁移率和异常聚集行为
作者：Toshihiro Okamoto*、Masato Mitani、Craig P Yu、Chikahiko Mitsui、Masakazu Yamagishi、Hiroyuki Ishii、Go Watanabe、Shohei Kumagai、Daisuke Hashizume、Shota Tanaka、Masafumi Yano、Tomokatsu Kushida、Hiroyasu Sato、Kunihisa Sugimoto、Takashi加藤和竹谷淳
DOI 号：101021/jacs0c05522

（注1）物联网

物联网的缩写，意思是事物通过互联网进行通信。[返回来源]

（注 2）AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室

AIST 和东京大学于 2016 年 6 月 1 日在东京大学柏校区建立的研究中心。我们通过结合彼此的种子技术，加强以“桥接”为目的的基础研究，构建产学官网络，开展利用尖端操作测量技术的生物功能材料、新材料、创新装置等的产业化和实际应用的研发。[返回来源]

（注3）溶解度

化合物在溶剂中的溶解度。就有机半导体而言，更高的溶解度允许应用多种溶液工艺，这与更好的制造工艺适用性直接相关。[返回来源]

（注4）迁移率（电荷迁移率）

它是每个空穴或电子电荷的电导率，是电荷在半导体中移动难易程度的指标。值越大，导电越容易。有时也写为流动性。[返回来源]

(注5)杂醇环

骨架中含有碳以外元素的分子单元，具有苯等芳香族化合物的性质。例子包括噻吩和硒吩。[返回来源]

(注6)π电子系分子

主骨架由碳原子组成，具有由单双键交替组成的共轭双键的化合物。特别是形成环状共轭双键并具有芳香族性质的化合物称为芳香族化合物。[返回来源]

(注7)癸基

由碳和氢的单键组成的取代基称为烷基。具有10个碳原子的烷基称为癸基。烷基的长度影响有机半导体的溶解度以及晶体结构内分子之间的相互作用。[返回来源]

(注8)大型同步加速器辐射装置SPring-8

这是位于兵库县播磨科学园区市、由 RIKEN 拥有的大型同步辐射设施，可产生世界上最高性能的同步辐射。用户支持由高强度光子科学研究中心 (JASRI) 提供。
SPring-8 的名称是S上P霍顿环8源自GeV。同步辐射是当电子加速到几乎等于光速并且其行进方向被电磁体弯曲时产生的强大电磁波。在SPring-8，可以获得从远红外到可见光、软X射线和硬X射线的各种波长的同步加速器辐射，因此正在进行广泛的研究，从核研究到纳米技术、生物技术、工业应用和法医学。[返回来源]

(注9)打印方式

一种将溶解在溶剂中的有机半导体印刷到基板上以形成半导体薄膜的方法，类似于用墨水在纸上印刷字符。有机半导体的最大优势之一是它们可以低成本大规模生产。[返回来源]

（注 10）印刷柔性电子产品

使用喷墨打印机或印章等印刷工艺制造塑料等机械柔性电子设备的技术称为印刷柔性电子产品。可溶于溶剂且具有柔软固态的有机半导体作为可以实现这一目标的材料而引起人们的关注。[返回来源]