平成24年3月 トピックス

若宮 淳志准教授ら

(物質創製化学研究系 構造有機化学領域)


炭素材料にホウ素を組み込む新手法に成功

この研究成果は、2012年2月28日の"Journal of the American Chemical Society電子版に掲載されました。


周 治国博士研究員、若宮 淳志准教授(左より)

物質創製化学研究系 構造有機化学研究領域の若宮 淳志准教授、周 治国博士研究員(現中国科学院上海有機化学研究所助手)、櫛田 知克さん(名古屋大学博士課程2年)、名古屋大学の山口 茂弘教授らの研究グループは、有機エレクトロニクス材料の革新的な素材の開発法として、ホウ素を炭素骨格に組み込むという新手法の開発に世界で初めて成功しました。

 
 有機エレクトロニクス分野における共通の課題の1つに、電子を流しやすい電子輸送性有機材料の開発が挙げられます。例えば、有機薄膜太陽電池では、正孔(正電荷)輸送性材料の改良により光電変換効率は10%にまで向上して注目を集めていますが、その対となる電子(負電荷)輸送性材料は依然、フラーレン誘導体にほぼ限られており、光電変換効率には限界があるのが現状です。変換効率のさらなる高効率化には、さらに高い電子移動度と電子受容性(電子を受け取りやすい性質)をもつ新しい有機材料を開発することが鍵となります。その分子設計の有効な手段として、炭素材料の炭素のいくつかをホウ素で部分的に置き換えるホウ素ドーピングによる電子構造の修飾が挙げられます(図1)。しかし、実際に炭素骨格にホウ素を組み込んだ材料を開発するためには、化合物の不安定性という決定的な問題がありました。
 

図1 ホウ素ドーピングによる電子輸送性有機半導体材料の開発

 
 今回、ホウ素を炭素骨格に組み込み「完全な平面構造に固定する」という分子設計の新たな概念により、ホウ素を組み込んだ材料が十分に安定化できることを実験的に明らかにしました(図2)。また、モデル化合物の効率的な合成手法を開発し、これらにおいて炭素骨格にホウ素を組み込むことで電子を受け取りやすい性質になることも実証しました。
 
図2 ホウ素材料の安定化の新概念「平面構造への固定化」
 
 この発見により、従来の炭素材料へのホウ素ドーピングという新手法に基づく材料開発およびデバイス化に道が拓かれ、今まで限界があった電子輸送性材料の開発が飛躍的に進むものと目されます。将来的には、本手法をグラフェンの部分構造やフラーレン、カーボンナノチューブなどのより広い炭素骨格へ展開し、フラーレン誘導体よりも優れた電子輸送性材料を開発することで、高い光電変換特性を持つ有機太陽電池の実現につながることが期待されます。
 
本学ホームページ
 

日経産業新聞(2月29日 9面)、化学工業日報(3月1日 5面)、日刊工業新聞(3月2日 17面)、鉄鋼新聞(3月2日 朝刊7面)などに掲載されました。

 
Zhou, Z.; Wakamiya, A.; Kushida, T.; Yamaguchi. S., Planarized Triarylboranes: Stabilization by Structural Constraint and Their Plane-to-Bowl Conversion, J. Am. Chem. Soc., DOI:10.1021/ja211944q (2012).