東京大学大学院新領域創成科学研究科の岡本敏宏准教授、熊谷翔平特任助教、竹谷純一教授、筑波大学数理物質系の石井宏幸助教、北里大学理学部物理学科の渡辺豪講師、産業技術総合研究所 産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ（注1）は、真空蒸着法および印刷法（注2）のいずれでも良質な薄膜が再現性よく成膜可能であり、優れた大気安定性および電子移動度（注3）を有するn型有機半導体（注4）材料を開発しました。また、その特徴である、固いフェニル部位と柔らかいアルキル部位からなるフェニルアルキル側鎖が、分子集合体（注5）構造形成において重要であることを明らかにしました。
パイ電子系分子（注6）からなる有機半導体は、電子と正孔（注7）とが共に伝導できる従来の無機半導体とは異なり、一般に正孔が伝導しやすく、これまで開発された有機半導体の多くが正孔輸送性（p型、注8）を示します。その中で、近年では、現在実用的に用いられている無機半導体のアモルファスシリコンよりも１桁以上高い10 cm2 V-1 s-1級の正孔移動度を有する有機半導体が報告されています。一方で、近未来のIoT社会（注9）のキーデバイスである電子タグやマルチセンサーなどのハイエンドデバイスに用いるためには、正孔移動度に匹敵する電子移動度に加えて、プロセス適合性と大気安定性を併せ持つ電子輸送性（n型）有機半導体の開発が課題とされています。本研究グループではこれまでに、この課題を乗り越え得る新しいパイ電子系としてBQQDI骨格の開発に成功しました（注10）。特に、側鎖にフェニルエチル基を有するPhC2–BQQDIは印刷法により高い電子移動度と大気安定性を示す単結晶薄膜が成膜可能であり、実用的な電子輸送性材料として期待されます。今回、本研究グループはPhC2–BQQDI類縁体における側鎖の役割を明らかにするため、フェニルアルキル側鎖を有するPhCn–BQQDI（n = 1–3）を開発し、その集合構造および半導体特性について調査しました。印刷法ではPhC2–BQQDIが最も高い半導体性能を示した一方で、真空蒸着法ではPhC3–BQQDIがより優れた電子移動度および大気安定性を示すことがわかりました。また、有機半導体と金属電極との間に生じる接触抵抗は、有機半導体デバイスの性能を抑制している課題の一つですが、PhC3–BQQDIの接触抵抗は、n型有機半導体として世界最小クラスとなりました。これら真空蒸着法による半導体特性の逆転は、薄膜に特有の多形によるものであることがX線回折により明らかとなり、さらに、分子動力学計算により、多形の形成が、フェニルアルキル側鎖に依存した基板上での集合構造の不安定性に起因するものであることが示されました。これは、固いフェニル部位と柔らかいアルキル部位とを併せ持つフェニルアルキル側鎖の特徴であると考えられ、有機半導体材料開発のための新たな分子設計指針としても期待されます。
今回得られた知見から、BQQDI骨格のn型有機半導体材料の基盤としての有用性がますます高まっただけでなく、フェニルアルキル部位のように固さと柔らかさとを併せ持つ側鎖構造が、n型有機半導体特性向上の手掛かりとなることが期待されます。今後、安価かつ低環境負荷の電子タグなどの開発や、有機半導体をベースとした未利用エネルギーを有効活用するエネルギーハーベスト（注11）など、次世代のプリンテッド・フレキシブルエレクトロニクス（注12）分野の研究開発を加速することが大いに期待されます。
本研究成果は、2020年10月22日付でアメリカ化学会（ACS）の「Chemistry of
Materials」のオンライン速報版で公開されます。