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有機半導体の開発と最新動向

Development and Recent Trends in Organic Semiconductors

★有機EL、有機電界効果トランジスタ、有機太陽電池などの先端有機デバイス開発に欠かせない有機半導体!
★【第1編:各論】では固体物性、材料開発、分光技術、太陽電池開発などについて詳述し、【第2編:応用】では今後注目される先端デバイスの研究動向について解説!
★ウェアラブル端末や各種センサーに代表されるIoTデバイスの普及が進むなか、有機デバイス需要はますます拡大!

商品コード:
T1253
監修:
安達千波矢
発行日:
2024年3月1日
体裁:
B5判、400頁
ISBNコード:
978-4-7813-1763-2
価格(税込):
79,200
会員価格(税込):
71,280
ポイント: 648 Pt
関連カテゴリ:
ファインケミカル
エレクトロニクス
刊行予定
エレクトロニクス > 半導体・電子材料
エレクトロニクス > ディスプレイ・光学材料
ファインケミカル > 合成技術・製造プロセス開発

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キーワード:

有機半導体/有機電界効果トランジスタ/有機太陽電池/構造制御/物性評価/有機共結晶/有機半導体薄膜/単結晶/有機発光ダイオード素子/液晶相/導電性高分子/アンバイポーラ型半導体/光電変換特性/機械学習/分極/電荷移動度/インピーダンス分光法/伝導体バンド構造/FT-IR測定/単層カーボンナノチューブ/有機半導体レーザー/蓄光/カフェ酸/バイオイメージングプローブ

刊行にあたって

1980年代に、三菱電機の肥塚らによるポリチオフェン系材料を用いた有機FET(OFET)の報告やE. Kodak社のC.W. Tangらによる積層型OLEDや太陽電池(OSC)に関する萌芽的な報告がなされた。その当時、有機半導体材料・デバイスに関する研究は、多くの研究者の興味を引きつけたものの、萌芽的な視点での研究も多く、工業的な展開は決して容易ではなく、一体、どのような研究開発展開を辿るのかは全く不透明な状況であった。

その後、OLEDは軽量・薄膜・高効率化が可能なことから、液晶を凌駕する画質と形状創出が可能となり、約10年程度の開発の月日を経て、1990年代後半には最初の商品化に至った。2010年以降は本格的なOLEDの量産が進み、現在では、携帯電話から薄膜大型TVまで、幅広い実用化が進展している。OLEDの成功は、非常に難易度の高い素子耐久性の問題、100nm程度の超薄膜を用いるプロセスに付随する難課題を乗り越え、有機材料が本格的な電子デバイスとして実社会で十分に活躍できることを実証した。現在では、ポストOLEDとして、有機半導体レーザーの研究も活発化している。究極の半値半幅、高い指向性はXRディスプレー用途に最適なデバイスであり、今後の開発展開が大きく期待される。
(中略)

本書では、これらの先端有機デバイスにおいて、基礎的な側面からの構造制御による固体物性解明、先進分子設計に基づく新材料開発、有機デバイスを解析するための先端分光技術についての研究、さらには、今後、期待される先端デバイスの研究開発動向についても、研究の最先端の場でご活躍されている第一線の先生方にご執筆をお願いした。
本書が次世代の有機半導体科学技術の発展の方向性を与えることができれば編集者として大変嬉しく思う。

安達千波矢
(本書「刊行にあたって」より抜粋)

著者一覧

安達千波矢   九州大学
瀧宮和男   東北大学; 理化学研究所
ブルガレビッチ キリル   理化学研究所
井上悟   東京大学
長谷川達生   東京大学
中村雅一   奈良先端科学技術大学院大学
阿部竜   奈良先端科学技術大学院大学
山角和久   立命館大学
前田大光   立命館大学
小野利和   九州大学
横山大輔   山形大学
陣内青萌   大阪大学
家裕隆   大阪大学
西原康師   岡山大学
道信剛志   東京工業大学
島田敏宏   北海道大学
横倉聖也   北海道大学
柳瀬隆   東邦大学
武田洋平   大阪大学
飯野裕明   東京工業大学
村田理尚   大阪工業大学
藤野智子   東京大学
伊藤雅聡   東京大学
森初果   東京大学
片桐洋史   山形大学
望月博孝   産業技術総合研究所
谷口耕治   東京工業大学
細貝拓也   産業技術総合研究所
椿真史   産業技術総合研究所
石井久夫   千葉大学
大原正裕   千葉大学
物部浩達   産業技術総合研究所
岡田淳之   大阪府立大学
内藤裕義   大阪公立大学
解良聡   分子科学研究所
吉田弘幸   千葉大学
小柴康子   神戸大学
福島達也   神戸大学
石田謙司   九州大学
尾坂格   広島大学
松尾豊   名古屋大学
丸本一弘   筑波大学
Yi-Ting Lee   東呉大学
儘田正史   京都大学
山本洋平   筑波大学
石井智大   モントリオール理工科大学
Stéphane KÉNA-COHEN   モントリオール理工科大学
下谷秀和   東北大学
伊澤誠一郎   東京工業大学
野口裕   明治大学
嘉部量太   沖縄科学技術大学院大学
赤池幸紀   産業技術総合研究所
土屋陽一   九州大学

目次 +   クリックで目次を表示

【第1編:有機半導体各論】

<構造制御>

第1章 高移動度有機半導体を実現する結晶構造制御法の開発
1 はじめに
2 メチルチオ化による結晶構造制御の可能性
 2.1 α-およびβ-MT-BDTの結晶構造
 2.2 α-およびβ-MT-BDTの単結晶電界効果トランジスタ
 2.3 β-メチルチオ基による結晶構造変化に関する考察
3  β位にメチルカルコゲノ基を持つアセンジカルコゲノフェンの結晶構造
 3.1 β-メチルカルコゲノベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジカルコゲノフェンにおけるカルコゲン原子の効果
 3.2 アセンジチオフェンコアの拡張
4 縮合多芳香族炭化水素へのメチルカルコゲノ化
 4.1 メチルカルコゲノ基を持つアセン類の結晶構造
 4.2 PAHの結晶構造の分類
 4.3 メチルチオ化されたピレン誘導体の結晶構造
 4.4 MT-ピレン(23) の分子性半導体としての評価
5 結言

第2章 高い層状結晶性を有する塗布型有機半導体の開発
1 はじめに
2 π電子骨格-直鎖アルキル連結系:高い層状結晶性とその起源
3 気液界面を介した薄膜結晶成長とデバイス特性
4 高度化に向けた分子設計と分子開発
5 まとめ

第3章 有機半導体薄膜における温度による結晶構造の変化
1 はじめに
2 X線構造解析に用いた有機分子と測定方法
3 有機低分子薄膜における格子定数の温度依存性解析結果
 3.1 PEN
 3.2 DNTT
 3.3 C10DNTT
 3.4 C8BTBT
 3.5 C8PDI
4 有機低分子薄膜における熱膨張現象についてのまとめと考察
5 おわりに

第4章 静電反発を克服した同種荷電π電子系の積層による半導体特性の発現
1 はじめに
2 電荷種分離配置型集合体
 2.1 嵩高い対イオンの導入による同種電荷種の積層
 2.2 双極子を有する荷電π電子系からなるイオンペアにおける同種電荷種の積層
3 集合化形態による電気伝導性への影響
4 電荷種分離配置型集合体中での相互作用
5 おわりに

第5章 有機共結晶の構造と光物性
1 はじめに
2 有機共結晶を利用した光物性の開拓
 2.1 共結晶の利点とその合成における課題
 2.2 三成分からなる共結晶の創製とその光機能
 2.3 三成分を超える共結晶への拡張
 2.4 共結晶の創製による光機能材料の創製
 2.5 固相反応による共結晶の創製とその光機能
3 有機共結晶を利用した光学センサ材料の開発
 3.1 外部刺激に応答する光学センサ材料
 3.2 ベイポクロミズム材料
 3.3 共結晶の性質を用いたベイポクロミズム材料
4 酸塩基複合体の構造と光物性
 4.1 共結晶と塩と塩共結晶連続体
 4.2 塩共結晶連続体を用いた光機能材料

第6章 非晶質有機半導体薄膜における分子凝集状態
1 非晶質有機半導体薄膜
2 分子配向の分析手法
 2.1 多入射角分光エリプソメトリー
 2.2 PL角度分布解析
 2.3 GIWAXS(Grazing-incidence wide-angle X-ray scattering)
 2.4 QACIOS(Quantitative absorbance comparison with an isotropically oriented standard)
3 膜密度の分析手法
 3.1 溶解・吸光度測定
 3.2 分光エリプソメトリー
 3.3 XRR(X-ray reflectometry)
4 凝集状態の制御手法と形成機構
 4.1 真空蒸着非晶質有機半導体薄膜の特殊性
 4.2 結晶性有機薄膜との形成機構の差異

<分子の合成・設計>

第7章 P3HTを基軸とする有機太陽電池開発と農業用途への応用
1 はじめに
2 高い短絡電流密度を示す非フラーレン型アクセプターの開発
3 混合膜内での混和性制御に向けた設計指針
4 農業用ハウスへの搭載に向けた緑色光波長選択型OSC
5 緑色光波長選択型OSCに向けた新規アクセプター材料の開発
6 おわりに

第8章 Brickwork型結晶構造のシミュレーションに基づく高移動度有機半導体探索
1 はじめに
2 Brickwork型結晶構造
3 Brickwork型結晶構造シミュレーション
4 固体の電子構造評価
5 新規の高移動度有機半導体材料探索

第9章 π電子系有機分子において硫黄原子の位置が有機電界効果トランジスタ特性に与える影響
1 はじめに
2 BBTBDT誘導体の合成
3 DFT計算によるフロンティア軌道の算出
4 光学および電気化学特性
5 DSCおよびTG-DTA測定による熱安定性の調査
6 OFET素子への応用
 6.1 BBTBDTを用いて作製したOFET素子の特性
 6.2 Ph-BBTBDTを用いて作製したOFET素子の特性
 6.3 BBTBDT-2を用いて作製したOFET素子の特性
 6.4 Ph-BBTBDT-2を用いて作製したOFET素子の特性
7 薄膜構造解析
7.1 表面モルフォロジーの調査
8 GIWAXS測定
9 PYS 測定によるイオン化ポテンシャルの算出
10 まとめ

第10章 NDIユニットからなる新規n型有機半導体の合成と物性評価
1 はじめに
2 NDI高分子の合成
3 NDI高分子の電荷輸送特性
4 NDI高分子デバイスの大気安定性
5 おわりに

第11章 ナフタレンフラックス法による巨大π共役分子の単結晶育成
1 はじめに
2 ナフタレンフラックス法
3 ペンタセンの例
4 難溶性有機分子の結晶構造決定
5 結晶構造を用いた理論的移動度評価
6 有機FET作製
7 今後の課題

第12章 環状TADF有機分子の合成と光物性・OLED物性評価
1 はじめに
2 環状TADF分子の発展経緯
3 ジベンゾフェナジンを電子アクセプターとするD–A–D–A環状TADF分子の合成
4 D–A–D–A環状TADF分子の光物性
5 おわりに

<材料開発>

第13章 液晶性で実現するプロセス適合性を有する有機半導体材料
1 有機半導体材料としての液晶物質
2 液晶性による結晶粒界方向の制御
3 液晶性による薄膜の水平配向制御
4 液晶性による平坦な多結晶薄膜の実現
5 高秩序液晶相を有する有機半導体材料
6 液晶性によるディップコート法での高速製膜
7 まとめ

第14章 チエノチオフェン構造を有する高導電性n型有機系半導体の開発
1 はじめに
2 熱電変換デバイスに向けた導電性有機金属材料の合成と成膜
 2.1 有機金属化合物NiETT
 2.2 有機金属化合物NiETTの高性能化
 2.3 チエノチオフェンを組み込んだ有機金属化合物NiT2TT
3 まとめ

第15章 高性能かつ大気安定なアンバイポーラ型分子性半導体材料の開発
1 はじめに
2 結果と考察
 2.1 合成
 2.2 溶液中の錯体の電子構造
 2.3 単結晶構造解析
 2.4 単結晶における分子間相互作用
 2.5 単結晶中の錯体の電子構造
 2.6 電界効果トランジスタ特性
3 結論と展望

第16章 アズレン骨格を有する有機トランジスタ材料
1 はじめに
 1.1 アズレンの電子構造
 1.2 OFET材料の分子構造
2 アズレンを両末端に持つチオフェン類縁体
 2.1 DAzBTとDAzTTの結晶構造と物性
 2.2 DAzBTとDAzTTのFET特性と薄膜構造
3 テルアズレン異性体
 3.1 テルアズレン異性体の結晶構造と物性
 3.2 テルアズレン異性体のFET特性と薄膜構造
 3.3 分子軌道制御による半導体極性制御
4 ビアズレン異性体
 4.1 ビアズレン異性体の結晶構造
 4.2 ビアズレン異性体のFET特性と薄膜構造
 4.3 ビアズレン異性体のトランスファー積分と再配列エネルギー
 4.4 アズレンの構造対称性と構造拡張
5 アズレンを両末端に持つ1,3,4-チアジアゾール誘導体
 5.1 BAzTDA異性体とBNpTDAの結晶構造
 5.2 BAzTDA異性体のFET特性と薄膜構造
 5.3 BAzTDA異性体のトランスファー積分と再配列エネルギー
6 おわりに

第17章 液晶性n型半導体を用いた光電池の安定性向上
1 はじめに
2 液晶性を示すn型半導体と光電池
 2.1 材料とその諸特性
 2.2 光電池特性
 2.3 液晶性が及ぼす熱安定性
3 まとめ

第18章 有機・無機ハイブリッドペロブスカイト系半導体のキラリティ制御による光電変換物性の開拓
1 はじめに
2 非線形電気伝導現象
3 キラル・極性半導体におけるバルク光起電力効果
 3.1 キラル分子を導入したヨウ化鉛層状ペロブスカイト半導体
 3.2 バルク光起電力効果(BPVE)
4 キラル半導体における円偏光ガルバノ効果
 4.1 純粋にキラルな二次元ヨウ化鉛ペロブスカイト半導体
 4.2 円偏光ガルバノ効果(CPGE)
5 おわりに

<各種特性の予測と評価>

第19章 機械学習による分子設計に向けた迅速過渡発光分光計測装置の開発
1 はじめに
2 TCSPCの概要とMI応用に向けた課題点
3 迅速過渡発光分光計測装置の概要
4 TADF材料および過渡発光データの機械学習の最新動向
5 まとめと謝辞

第20章 ケルビンプローブによる有機薄膜の電気分極構造の解析
1 はじめに
2 ケルビン法の原理と測定装置
 2.1 従来のケルビン法測定
 2.2 回転型ケルビン法測定
 2.3 ケルビン法測定の有機薄膜への適用可能性
3 ケルビン法によるバンドの曲がりの観測
4 ケルビン法による自発配向分極現象の観測
5 さいごに

第21章 Time-of-Flight法による液晶性有機半導体の電荷移動度測定
1 はじめに
2 Time-of-Flight(TOF)法による電荷移動度の測定
 2.1 過渡光電流(transient photocurrent)と電荷移動度(charge mobility)
 2.2 TOF法による液晶性有機半導体の電荷移動度測定装置
 2.3 ITOセルの作製
 2.4 試料セルへの液晶の注入
3 液晶性有機半導体の電荷移動度測定の実際
 3.1 測定の流れ
 3.2 試料セルの設置と配向制御
 3.3 電荷移動度測定
 3.4 電荷移動度の算出
 3.5 試料精製の影響の一例
4 まとめ

第22章 高速インピーダンス分光系と機械学習による有機デバイスの瞬時電子物性評価
1 はじめに
2 高速インピーダンス測定系
 2.1 TSP信号の設計
 2.2 TSP測定系
3 電子物性評価のための複素インピーダンススペクトルの機械学習
 3.1 PLEDの膜厚の決定
 3.2 データセットの作成
4 結果
 4.1 TSP測定系による複素インピーダンススペクトル
 4.2 機械学習モデルとその評価
 4.3 機械学習モデルによるPLEDの電子物性評価
5 おわりに

第23章 有機半導体の電子構造における多体効果

第24章 有機半導体の伝導帯バンド構造の実測と電子伝導機構
1 はじめに ―有機半導体の電気伝導機構とエネルギーバンド構造―
2 角度分解低エネルギー逆光電子分光の開発
3 有機半導体の伝導帯バンド構造の実測
4 ポーラロン形成
5 まとめ

第25章 赤外分光法による有機半導体高分子の光安定性評価
1 はじめに
2 FT-IR測定を用いた有機半導体高分子の光安定性の観測
3 反応速度論による光劣化の解析
4 F8BTの熱安定性と窒素雰囲気下での光安定性の評価
5 光劣化のメカニズムとポリマー骨格構造による光安定性の違い
6 まとめ

<太陽電池への展開>

第26章 拡張π電子系骨格を有する半導体ポリマーの開発と有機太陽電池の高効率化
1 はじめに
2 有機半導体の進化
 2.1 狭バンドギャップ化
 2.2 電圧損失の抑制
3 局所的に高い秩序を有する半導体ポリマーの開発
4 今後の課題と展望

第27章 半導体単層カーボンナノチューブを正孔輸送層に添加した有機薄膜太陽電池
1 はじめに
2 種々の半導体単層カーボンナノチューブ
3 半導体単層カーボンナノチューブを含む正孔輸送層を用いた有機薄膜太陽電池
4 有機薄膜太陽電池の条件最適化
5 有機薄膜太陽電池の特性向上についての解析的研究
6 まとめ

第28章 有機半導体における光誘起ラジカル生成と太陽電池評価への応用
1 はじめに
2 低分子太陽電池のESR研究
3 高分子太陽電池のESR研究
 3.1 ESR測定用のP3HT:PCBM高分子太陽電池構造
 3.2 素子動作時のP3HT:PCBM高分子太陽電池の光誘起ESR信号
 3.3 電荷蓄積と素子特性劣化との相関
 3.4 電荷蓄積の形成とエネルギー準位
 3.5 電荷蓄積による素子性能の劣化機構
 3.6 高効率二元系高分子太陽電池のESR研究
 3.7 高効率三元系高分子太陽電池のESR研究
4 おわりに

【第2編:デバイス開発に向けた応用】

第29章 高効率・高耐久性を有するハイパーフルオレッセンスOLEDの材料・デバイス設計
1 はじめに
2 光物性およびOLED特性
 2.1 材料合成
 2.2 計算シミュレーションによるエネルギー準位の推定
 2.3 光物性
 2.4 TAF-OLEDの特性と動作安定性
3 結論

第30章 有機半導体レーザー分子の耐久特性の向上
1 はじめに
2 レーザーの原理
3 有機固体レーザー材料
4 耐久性向上のためのレーザー材料の分子設計
5 耐久性向上のための添加剤
6 三重項励起子を活用するための方法
7 まとめ

第31章 ポリマー球体およびイオン液滴マイクロ光共振器による高感度センシング
1 はじめに
2 ポリマー球体マイクロ光共振器の作製と光閉じ込めによる共鳴発光
 2.1 π共役ポリマー球体マイクロ光共振器の作製
2.2 ポリマー球体マイクロ光共振器からの共鳴発光とレーザー発振
3 ポリマー球体マイクロ光共振器のセンシング応用
3.1 ポリマー球体マイクロ光共振器による高感度湿度センシング
 3.2 ポリマー球体マイクロ光共振器による揮発性有機物質の高感度センシング
 3.3 天然ポリマーマイクロ光共振器による高分子の分解モニタリング
4 イオン液滴レーザーによる微小気流センシング
5 まとめ

第32章 有機マイクロ共振器中におけるポラリトンBose-Einstein凝縮とポラリトン緩和過程
1 イントロダクション
2 有機マイクロ共振器中における励起子ポラリトン
3 有機マイクロ共振器中におけるポラリトンBose-Einstein凝縮特性
4 励起子ポラリトンおよびそのBEC領域の動力学とそのポラリトン緩和メカニズム
 4.1 線形領域におけるポラリトンの動力学
 4.2 BEC領域(非線形領域)におけるポラリトンの動力学
 4.3 ポラリトン緩和メカニズム
5 結論

第33章 電流駆動有機半導体レーザー
1 はじめに
2 光共振器
 2.1 ファブリ・ペロー共振器
 2.2 分布帰還(DFB)
 2.3 分布ブラッグ反射(DBR)を用いたマイクロキャビティ
3 レーザー媒質
 3.1 (チオフェン/フェニレン)コオリゴマー(TPCO)結晶
 3.2 スチリルベンゼン誘導体
4 励起源
 4.1 有機発光ダイオード(OLED)
 4.2 有機電界効果トランジスター(OFET)
5 まとめ

第34章 超低電圧で駆動する有機ELの開発
1 はじめに
2 超低電圧で発光する有機EL素子の開発の歴史
3 高効率かつ超低電圧で発光する黄色の有機EL素子の開発
4 超低電圧で発光する青色有機EL素子の開発
5 まとめと今後の展望

第35章 変位電流評価法による有機発光素子の特性評価
1 はじめに
2 変位電流評価法
3 励起子消光特性評価
4 LECの過渡特性解析

第36章 光誘起電荷分離を利用した有機蓄光システム
1 はじめに
2 有機蓄光の発光メカニズム
 2.1 電荷生成過程
 2.2 電荷保持過程
 2.3 電荷再結合発光過程
3 エネルギー移動機構による電荷再結合発光過程の改善
4 電荷トラップ機構による電荷保持過程の改善
5 材料
6 酸素による消光機構(電子移動とエネルギー移動)
7 刺激応答発光

第37章 カフェ酸の有機半導体デバイス応用
1 有機デバイス電極表面の修飾
2 電極修飾層への応用
3 ユニバーサルな電極仕事関数の増加
4 電流密度増加の検証
5 まとめ

第38章 有機半導体材料を用いたバイオイメージングプローブとしての高発光性有機ナノ粒子
1 はじめに
2 会合誘起発光
3 会合誘起発光を利用した生体内物質センシング
4 会合誘起発光を利用した発光性ナノ粒子
5 熱活性化遅延蛍光材料を用いた高発光性ガラス状有機ナノ粒子
6 X線シンチレータとしてのTADF材料の利用