ポリマー半導体を高性能化できる縮合多環π電子系骨格を開発：研究開発の最前線

京都大学は広島大学との共同研究で、ポリマー半導体を高性能化できる縮合多環π電子系骨格を開発した。チオフェンを縮環したことで、ポリマー主鎖の剛直性や主鎖間の相互作用が向上し、効率的に電荷を輸送できる。

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　京都大学は2024年11月19日、広島大学との共同研究で、ポリマー半導体を高性能化できる縮合多環π電子系骨格を開発したと発表した。ポリマー主鎖の剛直性や主鎖間の相互作用が向上し、効率的に電荷を輸送できる。

　今回開発したジチエノナフトビスチアジアゾール（TNT）は、広島大学が過去に開発したナフトビスチアジアゾール（NTz）の末端にチオフェンを縮環したものだ。

（a）ポリマー半導体の模式図。ビルディングユニット（π電子系骨格）の構造拡張により、ポリマー主鎖の剛直性や相互作用が向上する。（b）構造末端にチオフェンを縮環することによる効果。6員環であるベンゼンを縮環したときに比べると、5員環であるチオフェンを縮環することで、立体障害が軽減されポリマー主鎖の共平面性が向上し、より剛直性や相互作用が向上する。（c）これまで用いていた縮環π電子系骨格「NTz」と本研究で開発したチオフェン縮環π電子系骨格「TNT」の化学構造 出所：京都大学

　TNTを用いたポリマーPTNT2TとPTNT1-Fの物性やデバイス性能を、NTzのポリマーPNTz4T、PNTz1-Fと比較したところ、剛直性や分子間相互作用が高まっていることが判明した。

　また、TNT系ポリマー半導体を活性層とする有機トランジスタ（OFET）では、1.0cm²V⁻¹s⁻¹を超える電荷移動度を示し、NTz系ポリマー使用時よりも大幅に向上。有機薄膜太陽電池（OPV）においても、NTz系ポリマーの1.3倍となる17.4％のエネルギー変換効率を達成した。

NTzを有するポリマー半導体（PNTz4TおよびPNTz1-F）と新たに開発したTNTを有するポリマー半導体（PTNT2TとPTNT1-F）［クリックで拡大］ 出所：京都大学

PNTz1-FとPTNT1-Fのデバイス性能の比較。（a）OFETの電流−電圧特性。PTNT1-Fでは大幅に電流値を増大し、電荷移動度が向上した。（b）OPVセルの電流−電圧特性。PTNT1-Fでは短絡電流密度、開放電圧、曲線因子の全ての光電変換パラメーターが増大し、エネルギー変換効率が向上した 出所：京都大学

　今後、TNT系ポリマーの化学構造や成膜条件、OPVのセル構造を最適化することで、エネルギー変換効率20%の達成が期待できる。また、TNTを用いた新たな有機半導体材料の合成や、さまざまな有機デバイスなどへ応用展開を進める予定だ。

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