お知らせ
2025/06/25
研究成果
自然科学研究機構分子科学研究所・総合研究大学院大学の瀬川泰知准教授、長瀬真依大学院生(研究当時)、吉田瑠大学院生、中野さち子技術支援員、京都大学化学研究所の廣瀬崇至准教授らの研究グループは、分子内にひねり構造をもつ立体的な分子を合成し、これが有機半導体としての性質を示すことを明らかにしました。チオフェン(1)を複数含む平面分子にメチル基(2)を導入し、ねじれた形に変えることで、固体中で3次元的に電気が流れる構造を作り出しました。この分子は、電界効果トランジスタ(3)素子において有機半導体として機能することが確認されており、次世代の電子デバイス開発につながる成果です。
本研究成果は、イギリス王立化学会誌『Chemical Communications』に、2025年6月19日付でオンライン掲載されました。
有機材料を使った電子機器は、軽量で柔軟性があり、細かな分子構造の違いにより多彩な性質を実現できることから、環境に優しい次世代デバイスとして期待されています。これまでの有機電子材料は分子が平らな構造（平面構造）をしているものが中心でしたが、電気の流れ（電荷輸送）が特定の方向に限定されるため、デバイスにおいて分子がどの方向に向くか（配向）を制御しなければならないという課題がありました。今回、本研究グループは、分子を"ねじる"ことで、立体的に電子が移動しやすい新しい材料構造を作れるのではないかと考えました。
本研究グループは、チオフェン(1)を複数含む分子に対してメチル基(2)を取り付けて、ねじれた分子を合成しました。このねじれた構造は、X線結晶構造解析によって確認され、固体中で分子同士が立体的に積み重なる三次元的な構造をとることがわかりました。さらに、電気の流れやすさを計算科学的に解析したところ、ホール(2)が複数の方向に移動できる集積構造であることが予測されました。
この分子を用いて、実際に有機電界効果トランジスタ(3)を作製したところ、ホール移動度(4)として1.85 × 10-4 cm2 V-1 s-1という値が得られ、有機半導体としての性質を示すことが実験的に確認されました。
この成果は、有機電子材料の分子設計に新たな視点をもたらします。従来の「平らな分子」に加えて「ねじれた分子」も利用可能であることが示され、さらにこの分子設計戦略によって従来の課題であったデバイス上での配向制御問題を解決できる可能性があります。今後は、このような立体構造をもつ分子を活用した、より高性能な有機半導体材料開発へ応用が期待されます。
(1) チオフェン
五員環の有機化合物で、電子材料に多く使われる。硫黄原子を含む。
(2) ホール
電子が不足している状態。正孔。電子が負電荷の粒であるように、ホールは正電荷の粒のように振る舞う。
(3) 有機電界効果トランジスタ
ゲート電圧によって有機層にホールを誘起し、ドレイン電極とソース電極との間に電流を流すことで半導体としての性質を測る素子。
(4) ホール移動度
正電荷（ホール）がどれくらい速く移動できるかを示す指標。
掲載誌：Chemical Communications
論文タイトル："Synthesis, structure, and properties of twisted π-conjugated molecules featuring three-dimensional π-π interactions in solid states"（「固体状態で3次元π-π相互作用をもつねじれπ共役分子の合成・構造・性質」）
著者Mai Nagase, Ryu Yoshida, Sachiko Nakano, Takashi Hirose, Yasutomo Segawa
掲載日：2025年6月19日（オンライン公開）
DOI：10.1039/D5CC02387D
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