岡本研究室 Okamoto Group

代表的な研究成果

材料開発：高性能有機半導体材料の開発
　高移動度有機半導体におけるキャリアの波として伝搬，つまりバンド伝導が報告されて以降，有機半導体の高移動度化にはバンド伝導理論に立脚した分子設計および材料開発が必要となりました．バンド伝導モデルでは，キャリア1個あたりの伝導度に対応する移動度 µ は µ = qτ/m*（緩和時間 τ , 有効質量 m*，電気素量 q ）で表されます．すなわち，高移動度化には長い緩和時間 τ と小さい有効質量 m* が必要であり，前者は「分子間振動の抑制」，後者は「分子間の軌道の重なりの増大」として分子設計に反映できます．これまでに多数の有機半導体が報告されていますが，バンド伝導理論に立脚した分子設計は行われていませんでした．上記の背景のもと，当研究室では，バンド伝導理論に基づき，「分子間振動の抑制」と「分子間の軌道の重なりの増大」に着目し，p型（正孔が伝導する）有機半導体およびp 型よりも開発が遅れているn型（電子が伝導する）有機半導体について，分子軌道・分子形状・分子間力エンジニアリングによるπ電子系の分子設計指針を提案・実証してきました．例えば，

• 伝導を担うπ電子系骨格に分子間振動の抑制と分子間の軌道の重なりの増大を指向したp型有機半導体群
• 分子間振動の影響低減を指向した特異な分子軌道形態を有するp型有機半導体群
• 水素結合などの積極的な分子間相互作用を導入したn型有機半導体群
• 複数の分子軌道が伝導に関わるミックスオービタル型有機半導体群

などです．分子設計後は，目的のπ電子系分子を得るための簡便かつ汎用性の高い有機合成法の開発から始まり，電子材料に必要な高純度化のための精製法の検討，基礎物性の評価，集合体構造データの取得，得られた集合体構造データに基づく電荷輸送能の理論計算を実施します．一連の結果から有機半導体として高性能と判断される分子について，トランジスタ評価から高移動度を明らかにし，分子設計指針の確からしさを実証しました．さらに，得られた科学的知見を分子設計へフィードバックし，有機半導体の移動度を向上させてきました．また，高移動度（> 5 cm²/Vs）を示す化合物については，ホール効果測定によりバンド伝導性を示すことを明らかにしました．卓越した分子設計に加えて，バンド伝導理論に立脚した分子間振動の抑制に関するアプローチは，大気（酸素や水），熱，バイアスなどの外的なストレスに対する耐性を有機半導体に付与でき，結果的に，世界にさきがけて高移動度かつ高安定性なバンド伝導性のp型C₁₀–DNBDT–NWおよびn型PhC₂–BQQDI有機半導体の開発に繋がりました．なお，p型有機半導体TBBT–Vおよびn型有機半導体BQQDIは富士フイルム和光純薬から市販されています．

プロセス開発：有機半導体材料の最高性能を引き出すための塗布結晶化法および大面積結晶化法の開発
　有機半導体の性能は得られる薄膜の結晶性に影響されており，「結晶粒界のない単結晶」において理想的な性能を発現します．また，伝導を担う界面の状態を「どのように制御するか」もデバイス性能に影響します．当研究室では，有機化合物の特長をいかし，また，シリコンウエハーに匹敵する10 cm角級の単結晶薄膜化（材料の使用効率およびデバイス性能を鑑みると超極薄膜が理想）を指向して，大面積塗布結晶化法および当該プロセスに適した分子設計法の開発に取り組んできました．また，結晶性が低い高分子半導体材料についても，イオン液体上で高分子鎖を圧縮配向させる薄膜化法の開発にも取り組んでいます．さらに，強力かつ高い大気安定性を有するジカチオン型pドーパントを開発し, 高結晶性高分子半導体に対してドーピングを施すことで，高結晶性と高ドープ状態の両立を達成し，高導電性高分子の開発にも成功しました．一連の塗布技術と材料群は，有機トランジスタ，有機薄膜太陽電池，有機熱電変換素子，さらにはワイヤレス給電素子などの次世代エレクトロニクスに欠かすことができないキーテクノロジーとキーマテリアルです．