有機エレクトロニクス

有機エレクトロニクスは、導電性などの望ましい電子特性を示す有機分子またはポリマーの設計、合成、特性評価、および応用に関する材料科学の分野です。従来の無機導体や半導体とは異なり、有機電子材料は、有機化学や高分子化学の分野で開発された合成戦略を使用して、有機（炭素ベース）分子またはポリマーから構築されます。

有機エレクトロニクスの有望な利点の1つは、従来のエレクトロニクスに比べて潜在的に低コストであることです。^{[1] [2] [3]ポリマー導体の魅力的な特性には、電気伝導性（}ドーパントの濃度によって変化可能）と比較的高い機械的柔軟性が含まれます。有機電子材料の実装における課題は、熱安定性の低さ、高コスト、および多様な製造上の問題です。

従来の導電性材料は無機物であり、特に銅やアルミニウムなどの金属や多くの合金がこれに該当します。^[要出典]

1862年、ヘンリー・レザビーはポリアニリンについて記述し、その後導電性があることが示された。他の高分子有機材料の研究は1960年代に本格的に始まった。例えば1963年には、テトラヨードピロールの誘導体が1 S/cm（S =ジーメンス）の導電性を示すことが示された。^{[4] 1977年、酸化によって}ポリアセチレンの導電性が向上することが発見された。2000年のノーベル化学賞は、ポリアセチレンおよび関連導電性ポリマーの研究に対して、アラン・J・ヒーガー、アラン・G・マクダーミド、白川英樹の3人に共同で授与された。 ^[5]ポリチオフェン、ポリフェニレンスルフィドなど、多くの導電性ポリマーのファミリーが特定されている。

JE Lilienfeld ^[6]は1930年に初めて電界効果トランジスタを提案しましたが、最初の OFET が報告されたのは1987年で、Koezuka らが極めて高い導電性を示すポリチオフェン^[7]を使用して OFET を構築したときでした。他の導電性ポリマーも半導体として機能することが示されており、新しく合成され特徴付けられた化合物は著名な研究雑誌で毎週報告されています。これらの材料の開発を記録したレビュー記事は数多くあります。^{[8] [9] [10] [11] [12]}

1987年、イーストマン・コダック社でチン・W・タンとスティーブン・ヴァン・スライクによって最初の有機ダイオードが製造されました。^[13]

1950年代には、有機分子が電気伝導性を示すことが示されました。具体的には、有機化合物ピレンはハロゲンと半導体電荷移動錯塩を形成することが示されました。^[14] 1972年、研究者は電荷移動錯体TTF-TCNQに金属伝導性（金属に匹敵する伝導性）を発見しました。

アンドレ・ベルナノセ^{[15] [16]は}、有機材料における電界発光を初めて観測した人物である。チン・W・タンとスティーブン・ヴァン・スライク^[17]は、1987年に最初の実用的なOLEDデバイスの製造を報告した。このOLEDデバイスは、 銅フタロシアニンとペリレンテトラカルボン酸二無水物の誘導体からなる二重構造モチーフを組み込んだ。^[18]

1990年、ブラッドリー、バロウズ、フレンドによってポリマー発光ダイオードが実証されました。分子材料から高分子材料への移行により、有機フィルムの長期安定性に関する以前の問題が解決され、高品質のフィルムを簡単に製造できるようになりました。^[19] 1990年代後半には、高効率の電界発光ドーパントがOLEDの発光効率を劇的に向上させることが示されました。 ^{[20]これらの結果は、電界発光材料が従来の熱フィラメント照明に取って代わる可能性があることを示唆しました。その後の研究では多層ポリマーが開発され、プラスチックエレクトロニクスと}有機発光ダイオード（OLED）の研究とデバイス生産 という新しい分野が急速に成長しました。 ^[21]

有機導電性材料は、ポリマーと導電性分子固体および塩の 2 つの主なクラスに分類できます。 ペンタセンやルブレンなどの多環芳香族化合物は、部分的に酸化されると半導体材料を形成することがよくあります。

導電性ポリマーは、通常、本質的に導電性であるか、少なくとも半導体であることが多い。従来の有機ポリマーに匹敵する機械的特性を示すこともある。一般的な無機導体とは異なり、導電性ポリマーの電気的特性は、有機合成と高度な分散技術の両方を使用して調整できる。よく研究されている導電性ポリマーのクラスには、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、およびポリアニリンがある。ポリ(p-フェニレンビニレン)とその誘導体は、電界発光半導体ポリマーである。ポリ(3-アルキルチオフェン)は、太陽電池とトランジスタのプロトタイプに組み込まれている。

OLED（有機発光ダイオード）は、電流の刺激を受けて発光する有機材料の薄膜で構成されています。典型的なOLEDは、陽極、陰極、OLED有機材料、導電層で構成されています。^[23]

OLED有機材料は、小分子ベースとポリマーベースの2つの主要なファミリーに分けられます。小分子OLED（SM-OLED）には、トリス（8-ヒドロキシキノリナト）アルミニウム^[17] 蛍光およびリン光染料、および共役デンドリマーが含まれます。蛍光 染料は、所望の発光 波長の範囲に応じて選択でき、ペリレンやルブレンなどの化合物がよく使用されます。小分子をベースにしたデバイスは通常、真空下での熱 蒸発によって製造されます。この方法では、よく制御された均質なフィルムを形成できますが、コストが高く、スケーラビリティが限られているという問題があります。^{[24] [25]}ポリマー発光ダイオード（PLED）は、一般にSM-OLEDよりも効率的です。PLEDに使用される一般的なポリマーには、ポリ（p-フェニレンビニレン）^[26]やポリフルオレンの誘導体があります。発光色はポリマーの構造によって決まります。熱蒸発法と比較して、溶液ベースの方法は大きな寸法のフィルムを作成するのに適しています。

有機電界効果トランジスタ (OFET) は、有機分子またはポリマーを活性半導体層として利用する電界効果トランジスタです。電界効果トランジスタ ( FET ) は、電界を利用して 1 種類の電荷キャリアのチャネルの形状を制御し、それによって導電性を変える半導体材料です。FET には、運ぶ電荷の種類によって n 型半導体と p 型半導体の 2 つの主要なクラスがあります。有機FET (OFET) の場合、n 型は酸化による損傷を受けやすいため、p 型 OFET 化合物は一般に n 型よりも安定しています。

OLEDに関しては、一部のOFETは分子ベースで、一部はポリマーベースのシステムです。ルブレンベースのOFETは、20～40 cm ² /(V·s)の高いキャリア移動度を示します。もう1つの一般的なOFET材料はペンタセンです。ほとんどの有機溶媒に対する溶解度が低いため、従来のスピンキャスト法やディップコーティング法を使用してペンタセン自体から薄膜トランジスタ( TFT )を製造することは困難ですが、この障害は誘導体TIPSペンタセンを使用することで克服できます。

有機太陽電池は、従来の太陽電池製造に比べて太陽光発電のコストを削減できる可能性がある。^[27]フレキシブル基板上のシリコン薄膜太陽電池は、いくつかの理由から大面積太陽光発電のコストを大幅に削減することができる。^[28]

1. 柔軟なシート上へのいわゆる「ロールツーロール」堆積は、壊れやすく重いガラスシート上への堆積よりも、技術的な労力の面で実現がはるかに簡単です。
2. 軽量でフレキシブルな太陽電池の輸送と設置は、ガラス上のセルに比べてコストも節約できます。

ポリエチレンテレフタレート（PET）やポリカーボネート（PC）などの安価なポリマー基板は、太陽光発電のさらなるコスト削減の可能性を秘めています。プロトモルファス太陽電池は、安価で柔軟な基板上に高効率かつ低コストの太陽光発電を実現する有望なコンセプトであり、大面積生産だけでなく小型で移動可能なアプリケーションにも適しています。^[28]

プリンテッドエレクトロニクスの利点の1つは、異なる電気および電子部品を重ねて印刷できるため、スペースを節約し、信頼性を高め、場合によってはすべて透明になることです。 1つのインクが他のインクを損傷してはならず、紙やプラスチックフィルムなどの低コストのフレキシブル材料を使用する場合は、低温アニールが不可欠です。 ここには高度なエンジニアリングと化学が関わっており、リーダーにはiTi、Pixdro、旭化成、Merck & Co.|Merck、BASF、HC Starck、Sunew、日立化成、フロンティアカーボン株式会社があります。^[29] 有機化合物をベースにした電子デバイスは現在広く使用されており、多くの新製品が開発中です。ソニーは、純粋に有機材料で作られた最初のフルカラー、ビデオレート、フレキシブルなプラスチックディスプレイを報告しました。^{[30] [31]} OLED材料をベースにしたテレビ画面。有機化合物をベースにした生分解性電子機器と低コストの有機太陽電池も利用可能です。

小分子半導体は不溶性であることが多いため、真空昇華による堆積が必要です。導電性ポリマーをベースにしたデバイスは、溶液処理法で作成できます。溶液処理法と真空ベースの方法はどちらも、さまざまな程度の無秩序性を持つアモルファスおよび多結晶のフィルムを生成します。「ウェット」コーティング技術では、ポリマーを揮発性溶媒に溶解し、ろ過して基板に堆積する必要があります。溶媒ベースのコーティング技術の一般的な例としては、ドロップキャスティング、スピンコーティング、ドクターブレード、インクジェット印刷、スクリーン印刷などがあります。スピンコーティングは、小面積の薄膜製造に広く使用されている技術です。これにより、材料の損失が大きくなります。ドクターブレード技術では材料の損失が最小限に抑えられ、主に大面積の薄膜製造用に開発されました。真空ベースの小分子の熱堆積では、高温源から分子を蒸発させる必要があります。次に、分子は真空を通って基板上に運ばれます。基板表面でこれらの分子を凝縮するプロセスにより、薄膜が形成されます。ウェットコーティング技術は、溶解度に応じて小分子に適用できる場合があります。

有機半導体ダイオードは光を電気に変換します。右の図は、一般的に使用されている5つの有機光起電材料を示しています。これらの有機分子の電子は、対応するπ*反結合軌道を持つ非局在化π軌道に非局在化できます。π軌道、つまり最高被占分子軌道（HOMO）とπ*軌道、つまり最低空分子軌道（LUMO ）のエネルギー差は、有機光起電材料のバンドギャップと呼ばれます。通常、バンドギャップは1〜4eVの範囲にあります。^{[32] [33] [34]}

有機光起電力材料のバンドギャップの違いにより、有機太陽電池の化学構造と形態が異なります。太陽電池の形態には、単層有機光起電力セル、二層有機光起電力セル、ヘテロ接合光起電力セルなどがあります。しかし、これら3種類の太陽電池は、有機電子層を2つの金属導体（通常はインジウムスズ酸化物）の間に挟むという点で共通しています。^[35]

有機電界効果トランジスタは、3端子デバイス（ソース、ドレイン、ゲート）です。電荷キャリアはソースとドレインの間を移動し、ゲートは経路の導電性を制御する役割を果たします。半導体層の電荷輸送に基づく有機電界効果トランジスタには、主にp型（ジナフト[2,3- b :2′,3′- f ]チエノ[3,2- b ]チオフェン、DNTTなど）^{[36]とn型（フェニルC61酪酸メチルエステル、PCBMなど） [37]}の2種類があります。特定の有機半導体は、p型とn型（つまり両極性）の両方の特性を示すこともあります。^[38]

このような技術により、大面積で柔軟性があり、低コストの電子機器の製造が可能になります。^[39]主な利点の1つは、CMOSと比較して主に低温プロセスであるため、さまざまなタイプの材料を利用できることです。これにより、センシングに最適な候補になります。^[40]

導電性ポリマーは、無機導体よりも軽量で柔軟性があり、安価です。そのため、多くの用途で望ましい代替品となっています。また、銅やシリコンでは不可能な新しい用途の可能性も生み出します。

有機エレクトロニクスには、有機半導体だけでなく、有機誘電体、導体、発光体も含まれます。

新しい用途としては、スマートウィンドウや電子ペーパーなどがあり、導電性ポリマーは分子コンピューターという新興科学において重要な役割を果たすことが期待されています。

• グラッサー、ティボール、メラー、グレゴール。バルド、マルク。 (編集) (2010)有機エレクトロニクスSpringer、ハイデルベルク。ISBN 978-3-642-04537-0 (印刷) 978-3-642-04538-7 (オンライン) 
• Baracus, BA; Weiss, DE (1963). 「ポリマーの電子伝導。II. 制御された電位でのポリピロールの電気化学的還元」。Aust . J. Chem . 16 (6): 1076–1089. doi :10.1071/CH9631076。
• Bolto, BA; McNeill, R.; Weiss, DE (1963). 「ポリマーの電子伝導。III. ポリピロールの電子特性」。Aust . J. Chem . 16 (6): 1090–1103. doi :10.1071/CH9631090.
• Hush, Noel S. (2003). 「分子エレクトロニクスの最初の半世紀の概要」. Ann. NY Acad. Sci . 1006 (1): 1–20. Bibcode :2003NYASA1006....1H. doi :10.1196/annals.1292.016. PMID  14976006. S2CID  24968273.
• 有機結晶とポリマーの電子プロセス、第 2 版、マーティン ポープとチャールズ E. スウェンバーグ著、オックスフォード大学出版局 (1999)、ISBN 0-19-512963-6 
• 有機エレクトロニクスとフォトニクスのハンドブック（3巻セット）Hari Singh Nalwa著、American Scientific Publishers（2008年）、ISBN 1-58883-095-0 

• ウィキメディア・コモンズの有機エレクトロニクス関連のメディア
• orgworld –有機半導体ワールドのホームページ。