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【総説】高分子系半導体−n型

本記事は、東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 工学部応用化学科 岡本 敏宏准教授に執筆いただいたものです。

高分子系n型半導体材料は、低分子系と同様に、p型半導体材料と比較して、開発が遅れている。高分子系n型半導体として図1aに示したCN-PPVは古くから知られている1)。21世紀に入り、高分子系p型有機半導体と同様、n型半導体も研究が活発になったが、p型に比べて、移動度は一桁以上低い値であった。

2003年にJenekheらによって開発されたはしご型(ラダー型)高分子のpoly(benzimidazobenzophenanthroline)(ポリ(ベンゾビスイミダゾベンゾフェナントロリン), BBL)(図1b)を用いたトランジスタにおいて、0.1 cm2/Vsというそれまでとは一線を画す電子移動度が報告された2)。また、溶液プロセスで調整したBBLナノベルトを用いて空気中で安定なFETが作製された3)

図1.n型高分子半導体の分子構造①.

BBLの開発を機に、高分子系n型半導体の材料研究がさらに活発化した。また、高分子系p型半導体と同様の分子設計を用い、低分子系n型半導体の代表的な骨格であるNDIやPDIなどのアセンジイミド骨格やその誘導体を電子アクセプター(A)部位、チオフェン、2,2'-ビチオフェンやその誘導体を電子ドナー(D)部位からなるD-A型共重合体が検討された(図2a-b)4, 5)。一連のD-A型共重合体のうち、NDIと2,2'-ビチオフェンからなるP(NDI2OD-T2)(N2200)は、1 cm2/Vsに迫る高い電子移動度を実現した6)

図2.n型高分子半導体の分子構造②.

また、最近では、電子移動度の向上に加えて、大気安定性の改善を指向し、D部位にFやCNなどの電子求引基を導入した化合物やD部位の代わりにA部位を導入したA-A型共重合体も活発に研究されている(図2c)7, 8)

参考文献

  1. Halls, J. J. M., Walsh, C. A., Greenham, N. C., Marseglia, E. A., Friend, R. H., Moratti, S. C. and Holmes, A. B.: Nature, 376, 498 (1995).
  2. Babel, A. and Jenekhe, S. A.: J. Am. Chem. Soc., 125, 13656 (2003).
  3. Briseno, A. L., Mannsfeld, S. C. B., Shamberger, P. J., Ohuchi, F. S., Bao, Z., Jenekhe, S. A. and Xia, Y.: Chem. Mater., 20, 4712 (2008).
  4. Zheng, Y.-Q., Lei, T., Dou, J.-H., Xia, X., Wang, J.-Y., Liu, C.-J. and Pei, J.: Adv. Mater., 28, 7213 (2016).
  5. Yao, Z.-F., Zheng, Y.-Q., Li, Q.-Y., Lei, T., Zhang, S., Zou, L., Liu, H.-Y., Dou, J.-H., Lu, Y., Wang, J.-Y., Gu, X. and Pei, J.: Adv. Mater., 31, 1806747 (2019).
  6. Yan, H., Chen, Z., Zheng, Y., Newman, C., Quinn, J. R., Dötz, F., Kastler, M. and Facchetti, A.: Nature, 457, 679 (2009).
  7. Shi, Y., Guo, H., Qin, M., Zhao, J., Wang, Y., Wang, H., Wang, Y., Facchetti, A., Lu, X. and Guo, X.: Adv. Mater., 30, 1705745 (2018).
  8. Zhao, Z., Yin, Z., Chen, H., Zheng, L., Zhu, C., Zhang, L., Tan, S., Wang, H., Guo, Y., Tang, Q. and Liu, Y.: Adv. Mater., 29, 1602410 (2017).

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