-科学技術振興機構(JST)、名古屋大学(名大)、京都大学の3者は2月28日、「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成功したと発表した。Society」のオンライン速報版で近く公開の予定。有機エレクトロニクスは、従来のシリコンなどの無機材料に代わり、炭素をベースにした有機(プラスチック)材料を用いることで、軽量で曲がるディスプレイや太陽電池など、印刷プロセスで安価に生産が可能な次世代のデバイスとして注目されている。フラーレンによる「誘導体」のほかさまざまな炭素材料が用いられているものの、優れた特性を持つものは依然として限られている状況だ。有機薄膜太陽電池では、有機物の正孔輸送性材料と電子輸送性材料を混ぜたブレンド層が用いられるが、近年、可視光の、より長波長領域に吸収を持つ正孔輸送性材料が相次いで開発され、光電変換効率は10%代にまで向上しており、次世代太陽電池として注目を集めている。その対となる電子輸送性材料としては依然フラーレン誘導体に限られているというわけだ。誘導体とは、化合物の一部をほかの原子や原子団で置換したものを元の化合物の誘導体と呼ぶ。開発や、有機電界効果型トランジスターの実用化、有機ELディスプレイの高効率化など、有機エレクトロニクス分野の発展は、いかに効率的に電子を流す有機材料を開発できるかにかかっている。優れた電子輸送性材料の開発における新しい分子設計の指針として脚光を浴びつつあるのが、炭素骨格に元素を組み込むというアプローチだ。さまざまな元素の中でも特に有用なのが、ホウ素である。化学においてホウ素は、「鈴木-宮浦クロスカップリング反応」に見られるように、これまで反応位置の目印として反応化学に用いられてきた。13族元素であるホウ素は周期表で炭素の左隣にあり、炭素に比べて電子が1つ少なく、三配位構造の3価の状態で電子を受け取ることができる空の軌道を持つことが特徴の原子だ。その特徴により、数ある元素の中でもホウ素が、グラフェンやフラーレンなどの炭素材料の骨格の内部に組み込んで電子受容性を向上させるのに特に適したドーパント元素(電子や正孔のキャリア密度を上げるため、半導体シリコンなどの無機材料で一般的に用いられている技術の「ドーピング」で使われる微量の添加物)であるといえるのである。実際に理論研究により、3価のホウ素を、炭素骨格に部分的に組み込んで、ホウ素ドーピングすることで(画像1)、電子を受け取りやすい性質になることが示されている具合だ。開発しかし、ホウ素を組み込んだ材料の開発には、材料の不安定性という決定的な問題があったのである。従来の安定化の方法は、立体的に大きな置換基を導入してホウ素原子の周りを保護するというものだった(画像2)。この方法では、発光性材料などの1つの分子として機能する場合はよくても、電子を流すなど、固体状態での分子同士が、密に接触することが重要な要素となる場合には大きな障害となってしまう(画像3)。ホウ素を組み込んだ炭素材料で高い電子移動度を実現するためには、根本的に新しい分子設計の考え方の提案が大きな課題となっていたのである。