分子軌道の精密制御による高性能n型半導体ポリマーの創出

通过精确控制分子轨道创建高性能n型半导体聚合物

• 批准号: 22K14745
• 负责人: 三木江 翼
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Hiroshima University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14745/
• 关键词: n型半導体ポリマー; π共役系化合物; 電子輸送性材料; 有機電界効果トランジスタ; 半導体ポリマー; π共役系材料; イミド化合物; 有機エレクトロニクス

研究計画において、強すぎない「適度な」電子欠損性を持つキノキサリンイミド（QI）骨格を基盤に、LUMOが非局在化した高性能n型半導体ポリマーの開発を計画していた。今年度は、量子計算からLUMOの非局在化が最も期待できるQIとチオフェンからなる半導体ポリマーPQITを合成し、その電気化学的・光学的物性を評価した。また、有機電界効果トランジスタ（OFET）を作製し、PQITの電荷輸送性を評価した。電気化学測定によりモノマーとポリマーのエネルギー準位をそれぞれ評価したところ、「適度な」電子欠損性を有するQIモノマーは、それ自身は十分に低いLUMO準位を持たないが、PQITとしてポリマーに組み込まれることではじめて、n型半導体特性を発現しうる低いLUMO準位を示すことが確認できた。すなわち、LUMOの非局在化は、LUMO準位の低下に効果的である可能性は高い。また、PQIT薄膜のX線回折測定では、ポリマーのπスタックに由来する分子間距離が約3.4Åと非常に小さく、高い結晶性を示すことがわかった。この要因として、PQIT三量体モデルの量子計算から、QI骨格とチオフェン環の間の二面角が10°以下と比較的小さく、ポリマー主鎖の共平面性が高いことが挙げられる。さらに、OFETを作製しPQITの電荷輸送性を評価したところ、低いLUMO準位と高い結晶性に起因して、1.0 cm2/Vsを超える高い電子移動度を示すことを確認した。

在该研究项目中，他们计划开发一种基于喹喔啉酰亚胺（QI）骨架的具有离域LUMO的高性能n型半导体聚合物，该聚合物具有“中等”的缺电子性质，但不是太强。今年，我们合成了一种由QI和噻吩组成的半导体聚合物PQIT，该聚合物最有望从量子计算中使LUMO离域，并评估其电化学和光学性能。我们还制造了有机场效应晶体管 (OFET) 并评估了 PQIT 的电荷传输特性。当通过电化学测量评估单体和聚合物的能级时，发现具有“中等”缺电子特性的QI单体本身并不具有足够低的LUMO能级，而是首次以PQIT的形式掺入到聚合物中。 ，证实该材料表现出低LUMO能级，可以表现出n型半导体特性。也就是说，LUMO 的离域化很可能有效地降低 LUMO 能级。此外，PQIT 薄膜的 X 射线衍射测量表明，聚合物的 π 堆叠产生的分子间距离极小，约为 3.4 Å，表明其结晶度较高。根据PQIT三聚体模型的量子计算，这是由于QI骨架与噻吩环之间的二面角较小，小于10°，并且聚合物主链的共面性较高。此外，当我们制造 OFET 并评估 PQIT 的电荷传输特性时，我们证实，由于低 LUMO 能级和高结晶度，它表现出超过 1.0 cm2/Vs 的高电子迁移率。

项目成果

Ester-functionalized quinoxaline-based polymers for application in organic photovoltaics

• DOI: 10.1016/j.matchemphys.2022.126225
• 发表时间: 2022-05
• 期刊: Materials Chemistry and Physics
• 影响因子: 4.6
• 作者: Tsubasa Mikie;Yuka Iwasaki;I. Osaka

キノイド型拡張縮環骨格を有する狭バンドギャップ半導体ポリマーの合成と電荷輸送特性

醌型稠环骨架窄带隙半导体聚合物的合成及电荷传输性能

• 发表时间: 2022
• 作者: Nakao Naoya;Saito Masahiko;Mikie Tsubasa;Ishikawa Takumi;Jeon Jihun;Kim Hyung Do;Ohkita Hideo;Saeki Akinori;Osaka Itaru;岩﨑 優佳 ・三木江 翼・尾坂 格
• 通讯作者: 岩﨑 優佳 ・三木江 翼・尾坂 格

テトラチエノアセンジオン骨格を有するπ共役系ポリマーの合成と物性

四噻吩并二酮骨架π共轭聚合物的合成及物理性能

• 发表时间: 2022
• 作者: Nakao Naoya;Saito Masahiko;Mikie Tsubasa;Ishikawa Takumi;Jeon Jihun;Kim Hyung Do;Ohkita Hideo;Saeki Akinori;Osaka Itaru;岩﨑 優佳 ・三木江 翼・尾坂 格;松井 和哉・三木江 翼・瀬尾 卓司・家 裕隆・尾坂 格;岩﨑 優佳・三木江 翼・尾坂 格
• 通讯作者: 岩﨑 優佳・三木江 翼・尾坂 格

Naphthobispyrazine bisimide-based semiconducting polymers as electron acceptors for all-polymer photovoltaic cells

• DOI: 10.1038/s41428-022-00749-2
• 发表时间: 2023-01
• 期刊: Polymer Journal
• 影响因子: 2.8
• 作者: Kenta Okamoto;Yuka Iwasaki;Tsubasa Mikie;I. Osaka

ジチエノナフトビスチアジアゾールを有するπ共役系ポリマーの合成と有機トランジスタ特性

二噻吩萘并双噻二唑π共轭聚合物的合成及有机晶体管性能

• 发表时间: 2022
• 作者: Nakao Naoya;Saito Masahiko;Mikie Tsubasa;Ishikawa Takumi;Jeon Jihun;Kim Hyung Do;Ohkita Hideo;Saeki Akinori;Osaka Itaru;岩﨑 優佳 ・三木江 翼・尾坂 格;松井 和哉・三木江 翼・瀬尾 卓司・家 裕隆・尾坂 格
• 通讯作者: 松井 和哉・三木江 翼・瀬尾 卓司・家 裕隆・尾坂 格