バンド伝導性ポリマー半導体における構造・物性相関の研究

带导聚合物半导体的结构-性能关系研究

基本信息

批准号：
16J07912
负责人：
山下侑
金额：
$ 1.22万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

高分子半導体は溶液プロセス可能な電子材料として注目を集めている。その主鎖(～50 nm程度)はモノマー間で共役が広がるように重合されているが、デバイスのスケール(数～100 μm以上)における伝導には集合体構造に依存する。特には高分子主鎖がπスタックすることによって2次元面内にキャリア伝導パスや混成軌道が広がることが重要である。高分子半導体ではホッピング伝導が支配的であると考えられてきたが、これまでに配向化したCDT-BTZにおいてHall効果測定によりバンド伝導性を実証してきた。このCDT-BTZにおいては3.57 Åという比較的短いπスタック間距離を確認しており、伝導の2次元性が示唆されている。化学ドーピングによる高キャリア密度の実現は高分子半導体のキャリア注入特性、伝導特性、光学特性などを応用用途に合わせて制御するために重要であるが、高キャリア密度、安定性、結晶性などの重要な特性を同時に実現することは困難であった。本研究では、アニオン交換ドーピングを中心とした新規手法を考案し、PBTTTにおいて１モノマーに１つのホールという高キャリア密度、安定性の向上、結晶性の向上を実現するに至り、この系ではHall効果測定などによってバンド伝導が支配的であることを確認してした。X線散乱測定によるπスタック間距離の評価を行うと、中性状態の3.70 Åからドープ状態では3.50 Åまで著しく減少していた。DFT計算からはこの構造変化によって高分子主鎖間のトランスファー積分が40%も上昇すると見積もられており、構造変化が2次元バンド伝導の実現に寄与していることが示唆された。本研究によって化学ドープされた高分子半導体は高結晶性・バンド伝導性・高移動度・高キャリア密度を実現可能であり、透明電極や熱電変換素子など様々な応用用途へ展開が期待される材料であることが明らかになった。

高分子半导体作为可溶液加工的电子材料而备受关注。其主链（约50 nm）被聚合以扩展单体之间的共轭，但器件规模（几至100 μm或更大）的传导取决于聚集体结构。特别重要的是，由于聚合物主链的π堆积，载流子传导路径和混合轨道在二维平面内扩展是很重要的。跳频传导被认为在聚合物半导体中占主导地位，但我们之前已经通过霍尔效应测量证明了定向 CDT-BTZ 中的带电导率。在这个 CDT-BTZ 中，我们确认了 3.57 Å 的相对较短的 π 堆叠距离，表明存在二维传导。通过化学掺杂实现高载流子密度对于根据应用控制聚合物半导体的载流子注入性能、传导性能、光学性能等很重要，但更重要的是实现高载流子密度、稳定性、结晶度等。很难同时实现这些特性。在这项研究中，我们设计了一种以阴离子交换掺杂为中心的新方法，并在PBTTT中实现了每个单体一个空穴的高载流子密度，提高了稳定性，并提高了结晶度，我们通过测量证实了带传导占主导地位。当通过X射线散射测量评估π堆叠之间的距离时，发现它从中性态的3.70 Å显着减小到掺杂态的3.50 Å。 DFT计算估计这种结构变化使聚合物主链之间的传递积分增加了40%之多，这表明结构变化有助于实现二维带传导。这项研究生产的化学掺杂聚合物半导体可以实现高结晶度、能带传导性、高迁移率和高载流子密度，是一种有望用于透明电极和热电转换元件等各种应用的材料。那。

项目成果

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专利数量（0）

Improved efficiency of molecular doping in polymeric semiconductors via anion exchange

通过阴离子交换提高聚合物半导体中分子掺杂的效率

DOI：
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yu Yamashita
通讯作者：
Yu Yamashita

Improved efficiency of molecular doping in polymeric semiconductors via anion exchange

通过阴离子交换提高聚合物半导体中分子掺杂的效率

DOI：
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yu Yamashita
通讯作者：
Yu Yamashita

高配向高分子半導体の高キャリア密度における伝導特性

高载流子密度下高取向聚合物半导体的导电性能

DOI：
发表时间：
2016
期刊：
影响因子：
0
作者：
山下侑
通讯作者：
山下侑

高分子電界効果トランジスタによる高移動度の実現とその評価の妥当性

聚合物场效应晶体管高迁移率的实现及其评估的有效性

DOI：
发表时间：
2016
期刊：
影响因子：
0
作者：
山下侑
通讯作者：
山下侑

Molecular doping in organic semiconductors: fully solution-processed, vacuum-free doping with metal?organic complexes in an orthogonal solvent

有机半导体中的分子掺杂：在正交溶剂中使用金属有机配合物进行完全溶液处理、无真空掺杂

DOI：
10.1039/c7tc03905k
发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
6.4
作者：
Fujimoto Ryo;Yamashita Yu;Kumagai Shohei;Tsurumi Junto;Hinderhofer Ale;er;Broch Katharina;Schreiber Frank;Watanabe Shun;Takeya Jun
通讯作者：
Takeya Jun