秩序と乱れが共存した高性能な液晶性有機半導体を開発 －電子回折により液晶が凍結した分子配列構造を確認－

秩序と乱れが共存した高性能な液晶性有機半導体を開発－電子回折により液晶が凍結した分子配列構造を確認－

2021年12月23日 10:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物質科学研究所教授　米倉功治

【発表のポイント】

置换基効果により分子配列の秩序と乱れが共存した高性能な液晶性有机半导体（注１）を开発
クライオ电子顕微镜（注２）を用いた电子回折により极薄な液晶冻结层のフル构造解析に成功
半导体と液晶が融合したソフトマターエレクトロニクスへの展开に期待

【概要】

東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の井上悟特任研究員、長谷川達生教授、理化学研究所放射光科学研究センターの米倉功治グループディレクターらは、分子配列の秩序と乱れが共存した高性能な液晶性有機半導体を開発し、その極薄膜が液晶凍結状態であることを、クライオ電子顕微鏡を用いた電子線結晶構造解析（注３）により捉えることに成功しました

液晶は、棒状分子の长轴（长手方向）の配向秩序と横方向の配列の乱れが共存した固体と液体の中间状态で、多种の分子材料で発现し、それらの特有な分子の配向性が液晶表示素子として幅広く利用されています。近年、类似の棒状分子により高性能な有机半导体が得られ、またこれらの多くが高温で液晶相に変化することが明らかとなっており、液晶が持つ优れた机能を有机半导体の高度化のために积极的に活用する研究が注目されています。しかし、これら半导体のデバイス性能は液晶状态では着しく低下することが课题となっていました。本研究では、有机半导体分子の置换基に多彩な制御を施す高度な分子设计をもとに、高性能な液晶性有机半导体の开発に成功しました。さらに、得られた液晶性有机半导体の内部で分子配列の秩序と乱れが共存する様子を、最先端のクライオ电子顕微镜を用いた电子线构造解析技术により捉えることに成功しました。

本研究により、柔らかな液晶状态において高いデバイス性能を示す有机半导体を用いた、新たなソフトマターエレクトロニクスへの展开が期待されます。

本研究成果は、2021年12月22日（米国東部時間）に米国科学誌Chemistry of Materialsオンライン版に掲載されました。

本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業CREST「実験?計算?データ科学融合による塗布型電子材料の開発」（研究代表者：長谷川達生、JPMJCR18J2）、JSPS科研費基盤研究A（21H04651）、基盤研究B（19H02579)、基盤研究C（21K05209）、JSPS新学術研究領域（19H053121）による支援を受けて行いました。

図１　有机半导体の分子构造とディスオーダー型层状结晶构造
(础)：新たに开発した有机半导体（笔贰-叠罢叠罢-颁_n）の化学構造とファンデルワールス半径を用いた空間充填モデル。炭素原子を青で示した部位がアルキル基、紫で示した部位がフェニルエチニル基。 (B)：結晶構造解析によって得られたディスオーダー型層状ヘリンボーン構造の構造秩序。分子長軸の配向方向が積層の上下方向に対して完全にランダムに配置されているため、図中、水色の点線を境界にしてパイ電子骨格が特定の座標に高秩序に配列した層と、置換基がディスオーダー（図中、青と紫で示した原子位置に、結晶全体で見た時にはちょうど1:1の割合になるようにランダムに置換基が配置された状態）した層とで結晶構造が形成される。１分子を局所的に見れば、必ずどちらかの方位に分子が配向しているが、どちらに配向しているかを決定することができない結晶である。

【用语解説】

（注１）有机半导体：
炭素?水素?酸素などから构成される半导体材料。軽量?しなやか?有机溶媒に溶かせるという特长を有し、ファンデルワールス力で凝集することで固体を形成する。デバイス中での电気伝导特性は、凝集における秩序构造や、组み合わせる絶縁层部材などに大きく依存する。

（注２）クライオ电子顕微镜：
液体窒素（-196℃）冷却下で试料に対して电子线を照射し、试料を観察することのできる装置。试料に电子线を照射し、透过した电子线の强度から试料の构造や电子状态を観察するタイプの电子顕微镜を透过型电子顕微镜（罢贰惭）といい、これを低温で使用する方法。クライオ电子顕微镜を用いたタンパク质の立体构造を精密に解析する手法开発を通して近年急速に技术革新が进んでおり、解析手法の开発に贡献した海外の研究者3人が2017年にノーベル化学赏を受赏している。

（注３）电子线结晶构造解析：
结晶に电子线を照射すると、电子は试料を透过する际に散乱される。その际に生じる回折パターンから结晶中での原子?分子の配列构造を决定する手法。本研究ではクライオ电子顕微镜を用いて、电子线による回折パターンを観测している。

详细（プレスリリース本文）