香川大、電気で色が変わる液晶性薄膜の開発に成功

香川大学は2月25日、n-型有機半導体の「ペリレンビスイミド」に、重合部位である「シクロテトラシロキサン環」を加えたナノ相分離型液晶性半導体に、ナトリウム塩やリチウム塩と選択的に錯体を形成する「1-アザ-15-クラウン-5-エーテル」(アザクラウンエーテル環)を導入することにより、電解質溶液中において、電圧によって色が変わる現象である「エレクトロクロミズム」を示す液晶性薄膜を開発したと発表した。

同成果は、香川大創造工学部の多賀大起大学院生(研究当時)、同・上村忍教授、同・舟橋正浩教授らの研究チームによるもの。詳細は、「Materials Chemistry Frontiers」に掲載された。

舟橋教授らの研究チームでは、これまで、ペリレンビスイミドにシクロテトラシロキサン環を導入したナノ相分離型液晶性半導体を開発し、溶液プロセスにより薄膜化が可能であること、薄膜状態で酸蒸気に曝露することにより、薄膜の重合・不溶化が可能であることを見出してきたとする。そこで今回の研究では、ナノ相分離型液晶性半導体に、イオン伝導部位としてアザクラウンエーテル環を導入した液晶化合物の合成を試みることにしたという。

アザクラウンエーテル環は、ナトリウム塩(ナトリウムイオン)やリチウム塩(リチウムイオン)と選択的に錯体を形成することが特徴の1つとして知られている。今回合成された化合物は互いに溶け合わないアザクラウンエーテル環、ペリレンビスイミド、シクロテトラシロキサン環がナノメートルスケールで相分離することにより、液晶性カラム構造を室温で形成することが明らかにされた。

(a)アザクラウン環を導入した液晶化合物の分子構造。(b)液晶相での分子凝集構造の模式図。(c)ナトリウムトリフラートとの1:1錯体薄膜表面のAFM像 (出所:香川大プレスリリースPDF)

エレクトロクロミック材料などの電気化学機能材料は電解質溶液に浸して使用するため、薄膜化の不溶化が不可欠とされている。今回合成に成功した液晶化合物では、スピンコート膜をトリフルオロメタンスルホン酸蒸気に曝露することにより、薄膜の重合不溶化が可能だという。不溶化された薄膜はリチウムトリフラートやナトリウムトリフラート溶液中でエレクトロクロミズムを示すことがわかっており、リチウムイオンやナトリウムイオンが伝導する経路が、アザクラウンエーテル環によって形成されているため、安定した応答が実現したとのことで、研究チームでは、将来的にはイオン選択的に応答する素子も開発できる可能性があるとしている。