対称性の異なる半導体分子による超分子層配列の自己形成を発見

東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻の二階堂 圭 助教、井上 悟 助教（研究当時、現所属：山形大学 有機エレクトロニクスイノベーションセンター 研究専任准教授）と長谷川 達生 教授らの研究グループは、アルキル基により対称／非対称に置換した２種の有機半導体分子の混合体を加熱し溶融すると、冷却の過程で液晶相を介して、２種の分子がペアを形成する高秩序化が促されることを見いだしました。この現象を利用し、溶媒を用いることなく有機半導体の高均質な塗布製膜に成功しました。

分子形状が変形しにくく剛直なπ電子骨格と、変形しやすいアルキル基を連結した有機半導体分子は、層状に自己組織化しやすい顕著な性質を示すことから、近年、新たなソフトマターエレクトロニクスの材料として注目されています。本研究では、棒状のπ電子骨格の両端をアルキル基で置換した中心対称な分子と、片側のみ置換した非対称な分子を１対１の比で混合すると、加熱による液晶化や層状化が起こりやすくなることを見いだしました。またその仕組みは、２種の分子がペアを作って並ぶことで得られる、π電子骨格層とアルキル層が多重積層した超分子層構造の形成に由来することを明らかにしました。そして、この超分子層構造が層状液晶相を介して得られることを活用し、人体や環境に有害な有機溶媒を用いることなく、高均質な有機半導体薄膜を塗布により製膜することに成功しました。

今回の発見はソフトマターが自発的に示す液晶相や結晶相などの多彩な凝集構造の解明とともに、これらを利用した環境負荷の低いグリーンな半導体デバイス製造技術の発展に寄与するものと期待されます。

本研究成果は、２０２５年４月５日（日本時間）に「Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｄｖａｎｃｅｓ」に掲載されます。