有機半導体薄膜の構造制御を可能にする構造形成機構の解明

阐明有机半导体薄膜结构控制的结构形成机制

基本信息

批准号：
20J10803
负责人：
冨田和孝
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J10803/
关键词：
pMAIRS GIXD 分子配向薄膜ポルフィリン分子間相互作用

项目摘要

有機薄膜太陽電池（OPV）や有機薄膜トランジスタ（OTFT）などのデバイスは、薄膜中の分子配列（分子配向、結晶構造）が性能に大きく影響する。したがって、分子配列を意のままに制御する技術が求められている。これらのデバイスでは、一般的に表面不活性な基板が用いられるため、材料分子間の相互作用が、薄膜構造制御のカギとなる。本研究では、これまで構造制御に用いられていなかった、配位結合を用いた薄膜中の構造制御法を、微小角入射X線回折（GIXD）法とp偏光多角入射分解分光（pMAIRS）法による詳細な薄膜構造解析に基づいて確立した。前年度までに、有機半導体材料のTetrapyridylporphyrin（TPyP）について、ポルフィリン環の中心金属を変えて、ピリジル基との配位能を調整することで、ポルフィリン環が立ち上がった（edge-on）配向から、寝た（face-on）配向までを制御できることを、1次元GIXD法とpMAIRS法を用いて明らかにした。本年度は、新しく導入したX線回折装置を用いて、2次元GIXD測定を行い、MTPyP薄膜の結晶構造をより詳細に明らかにした。その結果、中心金属がCu(II)のとき、これまで報告されていなかったtriclinic結晶が含まれることがわかった。Triclinic結晶の形成は、Cu(II)のdx2-y2電子によって環の平面性が向上し、歪んだポルフィリン環を含むmonoclinic結晶の形成が阻害されたことが原因と説明される。すなわち、中心金属を選択することで、配位能だけでなく分子コンフォメーションも制御できることがわかった。この成果は2022年1月に国際的な学術誌Chemical Communicationsに掲載された。

有机薄膜太阳能电池（OPV）和有机薄膜晶体管（OTFT）等器件的性能很大程度上受薄膜中分子排列（分子取向、晶体结构）的影响。因此，需要一种可以随意控制分子排列的技术。这些器件通常使用表面不活泼的基底，因此材料分子之间的相互作用是控制薄膜结构的关键。在这项研究中，我们将使用小角入射 X 射线衍射 (GIXD) 和 p 偏振多角入射分辨光谱 (pMAIRS) 来利用配位键控制薄膜中的结构，而迄今为止，配位键尚未用于薄膜中的结构。结构控制是基于详细的薄膜结构分析而建立的。直到去年，我们通过改变卟啉环的中心金属并调整其与吡啶基的配位能力，从而改变了卟啉环的边缘取向，开发了有机半导体材料四吡啶基卟啉（TPyP）。通过一维 GIXD 方法和 pMAIRS 方法，我们证明甚至可以控制正面方向。今年，我们使用新引进的 X 射线衍射装置进行了二维 GIXD 测量，以更详细地阐明 MTPyP 薄膜的晶体结构。结果发现，当中心金属为Cu(II)时，包含迄今为止未报道过的三斜晶系晶体。三斜晶体的形成可以通过以下事实来解释：Cu(II) 的 dx2-y2 电子改善了环的平面性，抑制了含有扭曲卟啉环的单斜晶体的形成。换句话说，发现通过选择中心金属，不仅可以控制配位能力，还可以控制分子构象。该成果于2022年1月发表在国际学术期刊Chemical Communications上。