JP2010056476A - n-TYPE AND HETERO-JUNCTION ORGANIC THIN-FILM TRANSISTOR - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低電圧動作のn型半導体材料として有用なアントラジチオフェン骨格を有する有機化合物を用いたn型有機薄膜トランジスタ、並びにヘテロ接合型有機薄膜トランジスタに関する。 The present invention relates to an n-type organic thin film transistor using an organic compound having an anthradithiophene skeleton useful as an n-type semiconductor material operating at a low voltage, and a heterojunction organic thin film transistor.
薄膜トランジスタ(TFT)は、多結晶シリコンやアモルファスシリコンなどに代表されるようにアクティブマトリクス液晶ディスプレイの画素駆動素子として広く用いられている。このシリコンTFTを使ったアクティブマトリクス駆動は最近活発化している有機ELディスプレイにも適用され、11インチクラスの有機ELテレビも商品化されている。しかし、これらシリコン系TFTの製造は複雑でまた高温のプロセスを経る必要があり、低コスト化でかつ省エネルギー化の時代要請に合っていない。これに対し、作製プロセスの簡単化と低温化を目指し有機化合物を半導体層に用いたTFTの研究が続けられている。低温プロセスはコスト面だけでなく、プラスティックフィルム上へのTFT構築を可能にする。プラスチック基板はガラス基板を使ったものに比べ、柔軟で軽量なディスプレイが実現できる。 Thin film transistors (TFTs) are widely used as pixel drive elements for active matrix liquid crystal displays, as represented by polycrystalline silicon, amorphous silicon, and the like. This active matrix drive using a silicon TFT is also applied to an organic EL display which has recently been activated, and an 11-inch class organic EL television has been commercialized. However, the manufacture of these silicon-based TFTs requires complicated and high-temperature processes, and does not meet the demands of the era of cost reduction and energy saving. In contrast, research on TFTs using organic compounds in semiconductor layers has been continued with the aim of simplifying the manufacturing process and lowering the temperature. The low temperature process enables not only cost but also TFT construction on plastic film. The plastic substrate can realize a flexible and lightweight display compared to a glass substrate.
有機TFTに関する初期の研究はポリアセチレンやポリピロールなどの高分子を用いたもので、得られたキャリア移動度の値は小さく、10-5−10-6cm/Vsの範囲で、とても実用的に使えるものではなかった。しかし、低分子のα‐セキシフェニルを活性層に用いた有機TFTで10-2−10-1 cm2/Vsが報告された(非特許文献1参照)。さらには、多環芳香族であるペンタセン蒸着膜で1cm2/Vs以上のアモルファスシリコンを越える電界効果移動度が報告されている(例えば、非特許文献2参照)。また、オン/オフ比も106という値が実現できている。世の中で報告されている有機TFTの大多数は有機半導体中を流れる荷電キャリアがホールであるp型で、電子が流れるn型の有機TFTの例は非常に少ない。これまでに報告されている例としては、フッ素化フタロシアニン、フッ素化ペンタセン、ペリレン誘導体、最近では、チアゾロチアゾール骨格やビチオフェン骨格の両側に電子吸引基を導入した有機半導体がある。 Early research on organic TFTs uses polymers such as polyacetylene and polypyrrole, and the obtained carrier mobility is small, which is very practical in the range of 10 -5 -10 -6 cm / Vs. It was not a thing. However, 10 −2 −10 −1 cm 2 / Vs has been reported for organic TFTs using low molecular weight α-sexiphenyl in the active layer (see Non-Patent Document 1). Furthermore, a field effect mobility that exceeds 1 cm 2 / Vs of amorphous silicon in a pentacene vapor-deposited film that is a polycyclic aromatic has been reported (for example, see Non-Patent Document 2). The on / off ratio is 10 6 . The majority of organic TFTs reported in the world are p-types in which charge carriers flowing in organic semiconductors are holes, and there are very few examples of n-type organic TFTs in which electrons flow. Examples reported so far include fluorinated phthalocyanines, fluorinated pentacenes, perylene derivatives, and recently, organic semiconductors in which electron withdrawing groups are introduced on both sides of a thiazolothiazole skeleton or a bithiophene skeleton.
ここで、n型有機TFTについて説明する。有機TFTの基本構造は図1に示すトップコンタクト型とボトムコンタクト型がある。有機半導体はゲート絶縁膜上に30nmから100nmの厚みで形成される。ゲート電極に電圧を印加することでソース電極から電子が有機半導体層に注入されゲート絶縁層界面に蓄積される。その状態でドレイン電極にプラス電圧を加えることでソース電極側からドレイン電極側へゲート電圧に対応した電子が流れる。また、現在までに報告されているn型有機TFTの動作する電圧はかなり高く、閾値電圧としては50−70Vとなっている(非特許文献3〜5参照)。
これまで報告されている有機半導体の多くはp型であり、n型の例は、非常に少ない。今後、p型とn型を組み合わせたCMOS等、あるいは集積回路等への応用を考慮すると、高性能なn型有機半導体の開発が不可欠である。従って、いかにして、電子移動度が高く、低い電圧で動作する有機TFTを開発するかが求められており、これが課題となっている。 Many of the organic semiconductors reported so far are p-type, and there are very few examples of n-type. In the future, development of high-performance n-type organic semiconductors will be indispensable when considering application to CMOS or the like combining p-type and n-type, or integrated circuits. Therefore, there is a demand for how to develop an organic TFT that has a high electron mobility and operates at a low voltage, which is a problem.
有機半導体薄膜での移動度を高めるには分子間の電子軌道の重なりを高める必要がある。そのためにはスタック構造を取りやすい平面性の高い分子骨格が有効である。電極からの電子注入障壁を低減するには最低非占有分子軌道(LUMO)が深い方が望ましい。一般にはHOMO−LUMOのエネルギーギャップが小さい方がLUMO準位は深くなる。そのため、π電子共役系が発達した分子構造をとる必要がある。そこで、代表的なπ電子系であるアントラセンを中心にしてチオフェン環が縮環したアントラジチオフェン骨格を有する有機化合物(例えば、J. G. Laquindanum, H. E. Katz, and A. J. Lovinger, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 664参照)に着目した。この構造の両端に電子吸引的なトリフルオロメチルベンゼンを置換することでn型的な特性が期待できる(T. Yasuda, M. Saito, H. Nakamura, and T. Tsutsui, Appl. Phys. Lett. 89, 182108 (2006)参照)。アントラセンの両側へのチオフェン環の付加は、ベンゼン環との捩れを回避でき、平面構造を保持できる。 In order to increase the mobility in the organic semiconductor thin film, it is necessary to increase the overlap of electron orbits between molecules. For this purpose, a highly planar molecular skeleton that can easily form a stack structure is effective. A deeper minimum unoccupied molecular orbital (LUMO) is desirable to reduce the barrier for electron injection from the electrode. In general, the LUMO level becomes deeper as the energy gap of HOMO-LUMO is smaller. Therefore, it is necessary to take a molecular structure in which a π-electron conjugated system is developed. Therefore, an organic compound having an anthradithiophene skeleton in which a thiophene ring is condensed around anthracene which is a typical π electron system (for example, JG Laquindanum, HE Katz, and AJ Lovinger, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 664). Substitution of electron-withdrawing trifluoromethylbenzene at both ends of this structure can be expected to achieve n-type properties (T. Yasuda, M. Saito, H. Nakamura, and T. Tsutsui, Appl. Phys. Lett. 89, 182108 (2006)). Addition of a thiophene ring on both sides of anthracene can avoid twisting with a benzene ring and can maintain a planar structure.
また、そのアントラジチオフェン骨格の5、11位に、嵩高い置換基を導入することで有機溶媒への溶解性が向上し、溶液からの塗布が可能となるため、そのような塗布法により容易に薄膜を形成できることを見出した。このことはインクジェット法やフレキソ印刷法などでの有機TFT作製を可能とする。 In addition, by introducing bulky substituents at positions 5 and 11 of the anthradithiophene skeleton, the solubility in organic solvents is improved and application from a solution becomes possible. It was found that a thin film can be formed. This makes it possible to produce an organic TFT by an ink jet method or a flexographic printing method.
本発明は、π電子系の発達した平面性の高い分子骨格をもつ有機化合物の両端に、電子吸引基を導入した高性能のn型有機半導体材料を基板上の半導体層に用いた低電圧駆動の有機薄膜トランジスタ(TFT)を提供する。 The present invention is a low-voltage drive using a high-performance n-type organic semiconductor material in which electron-withdrawing groups are introduced at both ends of an organic compound having a highly planar molecular skeleton with a developed π-electron system for a semiconductor layer on a substrate. An organic thin film transistor (TFT) is provided.
即ち、本発明によれば以下のものが提供される。
[1] 下記式[化1]で表わされる化合物のシン、アンチ異性体混合物を、基板上の半導体層に用いたことを特徴とするn型有機薄膜トランジスタ。
That is, according to the present invention, the following is provided.
[1] An n-type organic thin film transistor, wherein a syn and anti isomer mixture of a compound represented by the following formula [Chemical Formula 1] is used for a semiconductor layer on a substrate.
(但し、Xは水素、ハロゲン、シアノ基、ニトロ基、アルキル基、アルコキシ基、又はアルキルシリルエチニル基を示す。)
[2] [1]に記載の化合物のシン、アンチ異性体混合物をn型有機半導体層として用い、これにp型有機半導体層を組み合わせ、構成させたことを特徴とするヘテロ接合型有機薄膜トランジスタ。
(However, X represents hydrogen, halogen, cyano group, nitro group, alkyl group, alkoxy group, or alkylsilylethynyl group.)
[2] A heterojunction organic thin film transistor comprising a mixture of syn and anti isomers of the compound according to [1] as an n-type organic semiconductor layer, which is combined with a p-type organic semiconductor layer.
本発明は、アントラジチオフェン骨格を有する有機化合物であって、その長軸方向の両端に電子吸引性のフルオロメチルベンゼンを置換した前記式[化1]で表わされる化合物である。主として、電子輸送性に優れた電子物性を示す。ここで、置換基Xは、水素、ハロゲン(フッ素、塩素、臭素、ヨウ素の中でも特にフッ素)、シアノ基、アルキル基(特に、炭素数1〜20のアルキル基、例えば、メチル基、ヘキシル基など)、アルコキシ基(特に、炭素数1〜20のアルコキシ基、例えば、メトキシ基、など)、又はアルキルシリルエチニル基(特に、炭素数1〜20のアルキル基を有するもの、例えば、メチル基、エチル基、イソプロピル基などを有するもの)などを示す。 The present invention is an organic compound having an anthradithiophene skeleton, which is a compound represented by the above formula [Chemical Formula 1] in which electron-withdrawing fluoromethylbenzene is substituted at both ends in the long axis direction. Mainly shows electronic properties excellent in electron transport properties. Here, the substituent X is hydrogen, halogen (fluorine among fluorine, chlorine, bromine and iodine), cyano group, alkyl group (especially alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, such as methyl group, hexyl group, etc.) ), An alkoxy group (particularly, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, such as a methoxy group), or an alkylsilylethynyl group (particularly one having an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, such as a methyl group, ethyl Group having isopropyl group, etc.).
さらに具体的に、好ましい分子構造の例を以下に示す。 More specifically, examples of preferred molecular structures are shown below.
本発明のn型アントラジチオフェン誘導体を半導体層に用いた有機TFTとしては、図1に示すように、ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極と、ゲート絶縁膜、及びその半導体層とを積層してなるTFTが例示できる。微細な有機TFTの点では、ボトムコンタクト型が有利であり、フォトリソプロセスでソース電極とドレイン電極を形成後に、有機半導体層を成膜する。 As shown in FIG. 1, an organic TFT using the n-type anthradithiophene derivative of the present invention for a semiconductor layer is formed by laminating a gate electrode, a drain electrode, a source electrode, a gate insulating film, and a semiconductor layer thereof. The TFT which can be illustrated can be illustrated. In terms of a fine organic TFT, a bottom contact type is advantageous, and after forming a source electrode and a drain electrode by a photolithography process, an organic semiconductor layer is formed.
また、図2に示すように本発明のn形有機半導体とp型有機半導体、たとえばペンタセンを2層に積層することでバイポーラ的、つまりCMOS的な特性を示すヘテロ接合型有機トランジスタも構築できる。 Also, as shown in FIG. 2, a heterojunction organic transistor exhibiting bipolar characteristics, that is, CMOS characteristics can be constructed by stacking two layers of an n-type organic semiconductor and a p-type organic semiconductor of the present invention, for example, pentacene.
本発明に係わるゲート電極としては、金、白金、クロム、パラジウム、アルミニウム、インジウム、モリブデン、低抵抗ポリシリコン、低抵抗アモルファスシリコン等の金属や錫酸化物、酸化インジウムおよびインジウム・錫酸化物(ITO)等を用いるのが一般的であるが、もちろんこれらの材料に限られるわけではなく、また、これらの材料を2種以上使用しても差し支えない。ここで、電極を形成する方法としては蒸着、スパッタリング、メッキ、各種CVD成長の方法がある。又、使用目的に応じて、ゲート電極と基板を兼ね、シリコンウエハー、ステンレス板、銅版等の導電性の板を用いることも可能である。 The gate electrode according to the present invention includes metals such as gold, platinum, chromium, palladium, aluminum, indium, molybdenum, low-resistance polysilicon, low-resistance amorphous silicon, tin oxide, indium oxide, and indium / tin oxide (ITO ) And the like are generally used, but of course, it is not limited to these materials, and two or more of these materials may be used. Here, as a method of forming an electrode, there are a method of vapor deposition, sputtering, plating, and various CVD growth methods. Further, depending on the purpose of use, it is also possible to use a conductive plate such as a silicon wafer, a stainless steel plate, or a copper plate, serving both as a gate electrode and a substrate.
本発明に係わるソース電極、ドレイン電極としては、金、白金、パラジウム、アルミニウム、クロム、チタン、モリブデン、インジウム、低抵抗ポリシリコン、低抵抗アモルファスシリコン等の金属や錫酸化物、酸化インジウムおよびインジウム・錫酸化物(ITO)等を用いるのが一般的であるが、もちろんこれらの材料に限られるわけではなく、また、これらの材料を2種類以上使用しても差し支えない。ここで、電極を形成する方法としては蒸着、スパッタリング、メッキ、各種CVD成長の方法がある。 Examples of the source electrode and drain electrode according to the present invention include metals such as gold, platinum, palladium, aluminum, chromium, titanium, molybdenum, indium, low resistance polysilicon, and low resistance amorphous silicon, tin oxide, indium oxide, and indium. Although tin oxide (ITO) or the like is generally used, it is of course not limited to these materials, and two or more kinds of these materials may be used. Here, as a method of forming an electrode, there are a method of vapor deposition, sputtering, plating, and various CVD growth methods.
本発明に係わるゲート絶縁膜としては、絶縁性のものであれば無機、有機の何れの材料でも使用可能であり、一般的には酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレン、ポリアクリロニトリルおよび各種絶縁性樹脂等が用いられ、これらの材料を2つ以上併せて用いてもよい。これらの絶縁膜の作製法としては特に制限はなく、例えばCVD法、プラズマCVD法、プラズマ重合法、蒸着法、スピンコーティング法、ディッピング法、クラスタイオンビーム蒸着法およびLB法などが挙げられ、何れも使用可能である。また、シリコンウエハーをゲート電極と基板を兼ねて用いる場合には、ゲート絶縁膜としてはシリコンの熱酸化法等によって得られる酸化シリコン膜が好適である。 As the gate insulating film according to the present invention, any inorganic or organic material can be used as long as it is insulative. Generally, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, titanium oxide, polyethylene are used. Polyester, polyimide, polyphenylene sulfide, polyparaxylene, polyacrylonitrile, various insulating resins and the like may be used, and two or more of these materials may be used in combination. There are no particular limitations on the method for producing these insulating films, and examples include CVD, plasma CVD, plasma polymerization, vapor deposition, spin coating, dipping, cluster ion beam vapor deposition, and LB method. Can also be used. When a silicon wafer is used as both a gate electrode and a substrate, a silicon oxide film obtained by a silicon thermal oxidation method or the like is preferable as the gate insulating film.
半導体層となる有機半導体薄膜の作製法としては、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法等のドライプロセスが使用できる。有機溶剤に可溶で薄膜形成できる有機半導体の場合は、スピンコート法、インクジェット法、スクリーン印刷法、インプリント法などの塗布法が利用できる。有機半導体層の膜厚としては、特に制限はないが、一般に50nm程度が好ましい。 As a method for producing an organic semiconductor thin film to be a semiconductor layer, a dry process such as a vacuum deposition method, a molecular beam epitaxial growth method, or an ion cluster beam method can be used. In the case of an organic semiconductor that is soluble in an organic solvent and can be formed into a thin film, a coating method such as a spin coating method, an ink jet method, a screen printing method, an imprinting method, or the like can be used. Although there is no restriction | limiting in particular as the film thickness of an organic-semiconductor layer, Generally about 50 nm is preferable.
本発明に係わるp型有機半導体材料としては、ペンタセン、アントラジチオフェン、セキシチオフェン又はポリチオフェン等を用いるのが一般的であるが、もちろんこれらの材料に限られるわけではない。 As the p-type organic semiconductor material according to the present invention, pentacene, anthradithiophene, sexithiophene, polythiophene, or the like is generally used, but it is not limited to these materials.
本発明に係わる基板には絶縁性の材料であればいずれも使用可能であり、具体的には、ガラス、アルミナ焼結体やポリイミドフィルム、ポリエステルフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリフェニレンスルフィド膜、ポリパラキシレン膜などの各種絶縁性プラスチックなどが使用可能である。以下に、さらに具体的な実施例を述べるが、もちろんこれをもって本発明を限定するものではない。 Any insulating material can be used for the substrate according to the present invention. Specifically, glass, alumina sintered body, polyimide film, polyester film, polyethylene film, polyphenylene sulfide film, polyparaxylene film. Various insulating plastics such as can be used. Specific examples will be described below, but the present invention is of course not limited thereto.
次に、本発明の有機薄膜トランジスタに用いられるアントラジチオフェン骨格を有する化合物の合成方法を、以下の通り説明する。
まず、スキーム1として、
Next, a method for synthesizing a compound having an anthradithiophene skeleton used in the organic thin film transistor of the present invention will be described as follows.
First, as Scheme 1,
に示すように、化合物(1)を、化合物(2)とパラジウム触媒の存在下で反応させることにより、化合物(3)を得る。
スキーム1で用いるパラジウム触媒は、Pd(PPh3)4、PdCl2(PPh3)2、PdCl2(dppf)などを使用でき(ここで、PPh3はトリフェニルフォスフィン、dppfはジフェニルフォスフィノフェロセンである)、合成時間及び収率の点で、特にPd(PPh3)4が好ましい。また、化合物(2)のMは、アルキルスズ、ジヒドロキシホウ素などの有機金属置換基を示す。特には、ジヒドロキシホウ素が好ましい。化合物(2)の使用量は、化合物(1)に対して、1.0当量以上5.0当量以下、好ましくは1.1当量以上1.5当量以下である。また、用いる溶媒としては、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチルエーテル、トルエン、N,N−ジメチルホルムアミドなどであり、好ましくはテトラヒドロフランである。反応温度としては、0℃以上100℃以下、好ましくは50℃以上70℃以下である。反応時間は、1時間以上20時間以下、好ましくは10時間以上15時間以下である。反応終了後は、有機溶媒により抽出を実施し、精製を行うことによって、目的化合物(3)を得ることができる。精製方法には、再結晶、シリカゲルカラムクロマトグラフィーが含まれる。
As shown in the above, compound (1) is reacted with compound (2) in the presence of a palladium catalyst to give compound (3).
Pd (PPh 3 ) 4 , PdCl 2 (PPh 3 ) 2 , PdCl 2 (dppf) and the like can be used as the palladium catalyst used in Scheme 1 (where PPh 3 is triphenylphosphine and dppf is diphenylphosphinoferrocene). Pd (PPh 3 ) 4 is particularly preferable from the viewpoint of synthesis time and yield. In the compound (2), M represents an organometallic substituent such as alkyl tin or dihydroxy boron. In particular, dihydroxyboron is preferable. The amount of compound (2) to be used is 1.0 equivalent to 5.0 equivalents, preferably 1.1 equivalents to 1.5 equivalents, relative to compound (1). The solvent used is tetrahydrofuran, dioxane, diethyl ether, toluene, N, N-dimethylformamide, etc., preferably tetrahydrofuran. The reaction temperature is 0 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or higher and 70 ° C. or lower. The reaction time is 1 hour or more and 20 hours or less, preferably 10 hours or more and 15 hours or less. After completion of the reaction, the target compound (3) can be obtained by performing extraction with an organic solvent and purification. Purification methods include recrystallization and silica gel column chromatography.
さらに、スキーム2として、 Furthermore, as Scheme 2,
に示すように、化合物(3)を、1,4−シクロヘキサンジオンと塩基の存在下で反応させることにより、化合物(4)を得る。
スキーム2で用いる塩基は、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液などを使用できるが、反応性を高める観点から、水酸化カリウム水溶液が好ましい。その水溶液の濃度は、1%以上20%以下、好ましくは5%以上10%以下である。また、用いる溶媒としては、テトラヒドロフラン、メタノール、エタノールなどの水溶性の溶媒があるが、好ましくはエタノールである。反応温度は、0℃以上50℃以下、好ましくは10℃以上20℃以下である。反応時間は、1時間以上20時間以下、好ましくは5時間以上15時間以下である。反応終了後は、有機溶媒による洗浄を実施し、精製を行うことによって、目的化合物(4)を得ることができる。精製方法には、有機溶媒による洗浄、昇華が含まれる。
As shown in the above, compound (3) is reacted with 1,4-cyclohexanedione in the presence of a base to give compound (4).
As the base used in Scheme 2, an aqueous potassium hydroxide solution, an aqueous sodium hydroxide solution, an aqueous lithium hydroxide solution, or the like can be used, but an aqueous potassium hydroxide solution is preferable from the viewpoint of increasing reactivity. The concentration of the aqueous solution is 1% or more and 20% or less, preferably 5% or more and 10% or less. Moreover, as a solvent to be used, there are water-soluble solvents such as tetrahydrofuran, methanol, and ethanol, but ethanol is preferred. The reaction temperature is 0 ° C. or higher and 50 ° C. or lower, preferably 10 ° C. or higher and 20 ° C. or lower. The reaction time is 1 hour or more and 20 hours or less, preferably 5 hours or more and 15 hours or less. After completion of the reaction, the objective compound (4) can be obtained by carrying out washing with an organic solvent and purification. The purification method includes washing with an organic solvent and sublimation.
得られた生成物は、類似のアントラジチオフェンの合成に関する報告文献(J.G. Laquindanum, H. E. Katz and A. J. Lovinger, J. Am. Chem. Soc., 120. 664 (1998)参照)に記述されているように、シン、アンチ異性体混合物であると予想されるが、その分離、分析は困難であるため、異性体混合物のまま、次の反応に使用する。 The resulting product is as described in the reported literature on the synthesis of similar anthradithiophenes (see JG Laquindanum, HE Katz and AJ Lovinger, J. Am. Chem. Soc., 120. 664 (1998)). In addition, although it is expected to be a mixture of syn and anti isomers, it is difficult to separate and analyze the mixture, so that it is used in the next reaction as it is as an isomer mixture.
次に、スキーム3として Next, as Scheme 3
に示すように、化合物(4)を金属アルミニウムの存在下で還元することにより、化合物(5)を得る。
スキーム3で用いる金属は、アルミニウム若しくはアルミニウムを含む金属が好ましく、その形状としては、塊状や粒状のものよりも、直径0.5mm以上1.0mm以下のワイヤが好ましい。また、用いる溶媒としては、アルコールであるが、好ましくはシクロヘキサノールである。反応開始剤としては、CCl4が好ましい。反応温度は、50℃以上200℃以下、好ましくは100℃以上150℃以下である。反応時間は、10時間以上50時間以下、好ましくは10時間以上20時間以下である。である。反応終了後は、スキーム2同様、有機溶媒による洗浄を実施し、精製を行うことによって、目的化合物(5)を得ることができる。精製方法には、有機溶媒による洗浄、昇華が含まれる。
As shown in (2), compound (4) is reduced in the presence of metallic aluminum to give compound (5).
The metal used in Scheme 3 is preferably aluminum or a metal containing aluminum, and the shape is preferably a wire having a diameter of 0.5 mm or more and 1.0 mm or less, rather than a lump or granule. The solvent used is an alcohol, preferably cyclohexanol. As the reaction initiator, CCl 4 is preferable. The reaction temperature is 50 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, preferably 100 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. The reaction time is 10 hours to 50 hours, preferably 10 hours to 20 hours. It is. After completion of the reaction, the target compound (5) can be obtained by carrying out washing with an organic solvent and purification, as in Scheme 2. The purification method includes washing with an organic solvent and sublimation.
次に、スキーム4として Next, as Scheme 4
に示すように、化合物(4)をトリイソプロピルシリルエチニルリチウムと反応させることにより、化合物(6)を得る。
スキーム4で用いる溶媒としては、エーテル系溶媒があるが、好ましくはテトラヒドロフランである。リチオ化の際の反応温度は、−90℃以上−50℃以下、好ましくは−80℃以上−70℃以下である。リチオ化物と(4)との反応の際の反応温度は、−90℃以上−0℃以下、好ましくは−50℃以上−10℃以下である。リチオ化の際の反応時間は、1時間以上10時間以下、好ましくは1時間以上2時間以下である。リチオ化物と(4)との反応の際の反応温度は、5時間以上20時間以下、好ましくは5時間以上10時間以下である。反応終了後は、有機溶媒により抽出を実施し、精製を行うことによって、目的化合物(6)を得ることができる。精製方法には、再結晶、シリカゲルカラムクロマトグラフィーが含まれる。
As shown in the above, the compound (4) is reacted with triisopropylsilylethynyllithium to obtain the compound (6).
Examples of the solvent used in Scheme 4 include ether solvents, and tetrahydrofuran is preferred. The reaction temperature during lithiation is −90 ° C. or higher and −50 ° C. or lower, preferably −80 ° C. or higher and −70 ° C. or lower. The reaction temperature in the reaction between the lithiated product and (4) is from −90 ° C. to −0 ° C., preferably from −50 ° C. to −10 ° C. The reaction time at the time of lithiation is 1 hour or more and 10 hours or less, preferably 1 hour or more and 2 hours or less. The reaction temperature in the reaction of the lithiated product with (4) is from 5 hours to 20 hours, preferably from 5 hours to 10 hours. After completion of the reaction, the target compound (6) can be obtained by performing extraction with an organic solvent and purification. Purification methods include recrystallization and silica gel column chromatography.
本発明は、以下の実施例によって、さらに詳細に説明されるが、これに限定されるべきではない。 The invention is illustrated in more detail by the following examples, but should not be limited thereto.
500mL 2口フラスコを窒素置換し、5−ブロモチオフェン−2,3−ジカルボアルデヒド(1)(1.35g、6.16mmol)、4−(トリフルオロメチル)フェニルボロン酸(2)(1.29g、6.78mmol)、Pd(PPh3)4(356mg、(1)に対して5mol%)、リン酸三カリウムn水和物(7.0g、関東化学製特級試薬)、および無水テトラヒドロフラン(130mL)を仕込み、還流下で12時間反応させた。塩化アンモニウム水溶液を加え反応を停止した後、反応溶液を酢酸エチルで抽出し、有機相を無水マグネシウムで乾燥後、ろ過を行い、ロータリーエバポレーターで濃縮した。残渣を、ヘキサン:酢酸エチル4:1の混合溶媒を移動相とするシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製し、薄黄色固体として、5−(4−(トリフルオロメチル)フェニル)チオフェン−2,3−ジカルボアルデヒド(3)(1.0g、収率57%)を得た。
mp.>300℃; 1H NMR (300MHz, CDCl3) δ7.74(d, 2H, J = 8.40 Hz, ArH), 7.81(d, 2H, J = 8.40 Hz, ArH), 7.89(s, 1H, ThH), 10.42(s, 1H, CHO), 10.51(s, 1H, CHO); 13C NMR (75 MHz, CDCl3) δ123.68(q, J = 272.4 Hz), 126.18, 126.46(q, J = 3.8 Hz), 126.72, 131.55, 131.99, 135.31, 144.40, 146.47, 150.69, 182.20(CHO), 184.43(CHO); 19F NMR (282 MHz, CDCl3) δ-62.84; EI-MS法, m/z = 284(M+)
The 500 mL 2-neck flask was purged with nitrogen, and 5-bromothiophene-2,3-dicarbaldehyde (1) (1.35 g, 6.16 mmol), 4- (trifluoromethyl) phenylboronic acid (2) (1. 29 g, 6.78 mmol), Pd (PPh 3 ) 4 (356 mg, 5 mol% based on (1)), tripotassium phosphate n-hydrate (7.0 g, special grade reagent manufactured by Kanto Chemical), and anhydrous tetrahydrofuran ( 130 mL) was added and reacted under reflux for 12 hours. After stopping the reaction by adding an aqueous ammonium chloride solution, the reaction solution was extracted with ethyl acetate, the organic phase was dried over anhydrous magnesium, filtered, and concentrated on a rotary evaporator. The residue was purified by silica gel column chromatography using a mixed solvent of hexane: ethyl acetate 4: 1 as a mobile phase, and 5- (4- (trifluoromethyl) phenyl) thiophene-2,3-di was obtained as a pale yellow solid. Carbaldehyde (3) (1.0 g, 57% yield) was obtained.
mp.> 300 ° C; 1 H NMR (300MHz, CDCl 3 ) δ7.74 (d, 2H, J = 8.40 Hz, ArH), 7.81 (d, 2H, J = 8.40 Hz, ArH), 7.89 (s, 1H , ThH), 10.42 (s, 1H, CHO), 10.51 (s, 1H, CHO); 13 C NMR (75 MHz, CDCl 3 ) δ123.68 (q, J = 272.4 Hz), 126.18, 126.46 (q, J = 3.8 Hz), 126.72, 131.55, 131.99, 135.31, 144.40, 146.47, 150.69, 182.20 (CHO), 184.43 (CHO); 19 F NMR (282 MHz, CDCl 3 ) δ-62.84; EI-MS method, m / z = 284 (M + )
500mL 2口フラスコに、5−(4−(トリフルオロメチル)フェニル)チオフェン−2,3−ジカルボアルデヒド(3)(800mg、2.81mmol)、1,4−シクロヘキサンジオン(157mg、1.41mmol)、エタノール(120mL)を加えた。そこへ、5%KOH水溶液(5.0mL)を滴下し、室温で12時間反応させた。その後、エタノールをロータリーエバポレーターで留去し、濃縮液に水を加えた後、ろ過を行った。メタノール、へキサンで洗浄後、真空乾燥し、茶色固体として2,8−ビス(4−(トリフルオロメチル)フェニル)アントラジチオフェン−5,11−ジオン(4)(680mg、79%)を得た。
mp.>300℃; EI-MS法, m/z = 608(M+)
In a 500 mL 2-neck flask, 5- (4- (trifluoromethyl) phenyl) thiophene-2,3-dicarbaldehyde (3) (800 mg, 2.81 mmol), 1,4-cyclohexanedione (157 mg, 1.41 mmol). ), Ethanol (120 mL) was added. 5% KOH aqueous solution (5.0 mL) was dripped there, and it was made to react at room temperature for 12 hours. Thereafter, ethanol was distilled off with a rotary evaporator, and water was added to the concentrate, followed by filtration. After washing with methanol and hexane, vacuum drying was performed to obtain 2,8-bis (4- (trifluoromethyl) phenyl) anthradithiophene-5,11-dione (4) (680 mg, 79%) as a brown solid. It was.
mp.> 300 ° C; EI-MS method, m / z = 608 (M + )
100mL 3口フラスコに、アルミニウムワイヤ(500mg)、塩化水銀(10mg)、四塩化炭素(0.5mL)、無水シクロヘキサノール(15mL)を入れ、100℃で、2時間攪拌した。そこへ、2,8−ビス(4−(トリフルオロメチル)フェニル)アントラジチオフェン−5,11−ジオン(4)(500mg、0.821mmol)を加え、140℃で12時間反応させた。6N HCl(20mL)を加え、1時間攪拌後、ろ過を行った。水、メタノール、テトラヒドロフランで洗浄し、粗生成物を180mg得た。得られた粗生成物を昇華精製(アルゴンフロー、30Pa、500℃)により精製し、赤紫色固体として、上記の2,8−ビス(4−(トリフルオロメチル)フェニル)アントラジチオフェン(5)(80mg、17%)を得た。
mp.>300℃; MALDI-TOFMS法, m/z = 578(M+)
An aluminum wire (500 mg), mercury chloride (10 mg), carbon tetrachloride (0.5 mL), and anhydrous cyclohexanol (15 mL) were placed in a 100 mL three-necked flask and stirred at 100 ° C. for 2 hours. 2,8-bis (4- (trifluoromethyl) phenyl) anthradithiophene-5,11-dione (4) (500 mg, 0.821 mmol) was added thereto, and the mixture was reacted at 140 ° C. for 12 hours. 6N HCl (20 mL) was added, and the mixture was stirred for 1 hour and filtered. The product was washed with water, methanol, and tetrahydrofuran to obtain 180 mg of a crude product. The obtained crude product was purified by sublimation purification (argon flow, 30 Pa, 500 ° C.) to obtain the above 2,8-bis (4- (trifluoromethyl) phenyl) anthradithiophene (5) as a reddish purple solid. (80 mg, 17%) was obtained.
mp.> 300 ° C; MALDI-TOFMS method, m / z = 578 (M + )
50mL 3口フラスコを窒素置換し、トリエチルシリルアセチレン(420mg、2.30mmol)、無水テトラヒドロフラン(10mL)を加え、反応溶液を−78℃に冷却した。1.54Mのブチルリチウムヘキサン溶液(1.34mL、2.07mmol)を滴下し、1時間攪拌した。次いで、−20℃の反応溶液に、2,8−ビス(4−(トリフルオロメチル)フェニル)アントラジチオフェン−5,11−ジオン(4)(350mg、0.575mmol)のTHF懸濁液(10mL)を滴下し、室温で7時間反応させた。その後、水(1.5mL)を加え反応を停止し、1N HCl(6mL)に溶解させたSnCl2・2H2O(259mg、1.15mmol)を滴下し、30分間攪拌させた。その後、テトラヒドロフランをロータリーエバポレーター留去した後、その濃縮液をクロロホルムで抽出し、有機相を無水マグネシウムで乾燥後、ろ過を行い、ロータリーエバポレーターで濃縮した。残渣を、ヘキサン:クロロホルム3:1の混合溶媒を移動相とするシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製し、黒紫色固体として、[2,8−ビス(4−(トリフルオロメチル)フェニル)−5,11−ジ(トリイソプロピルシリルエチニル)]アントラジチオフェン(6)(80mg、収率15%)を得た。
mp.>300℃; 1H NMR (300MHz, CDCl3) δ1.37(m, 42H, i-Pr), 7.73(d, 4H, J = 8.10 Hz, ArH), 7.74(s, 2H, ThH), 7.92(d, 4H, J = 8.10 Hz, ArH), 9.11 (s, 2H, ArH), 9.14(s, 2H, ArH); MALDI-TOFMS法, m/z = 938(M+)
実施例において、得られた化合物の各種測定について、1H−NMR、13C−NMRおよび19F-NMR測定は、BRUKER社のUltra Shield 300を、質量分析は、株式会社島津製作所のGCMS-QP2010、あるいはMALDI-TOFMS AXIMA-CFR plusを用いて測定した。
The 50 mL 3-neck flask was purged with nitrogen, triethylsilylacetylene (420 mg, 2.30 mmol) and anhydrous tetrahydrofuran (10 mL) were added, and the reaction solution was cooled to -78 ° C. A 1.54 M butyllithium hexane solution (1.34 mL, 2.07 mmol) was added dropwise and stirred for 1 hour. Then, a suspension of 2,8-bis (4- (trifluoromethyl) phenyl) anthradithiophene-5,11-dione (4) (350 mg, 0.575 mmol) in THF was added to the reaction solution at −20 ° C. 10 mL) was added dropwise and reacted at room temperature for 7 hours. Thereafter, water (1.5 mL) was added to stop the reaction, and SnCl 2 .2H 2 O (259 mg, 1.15 mmol) dissolved in 1N HCl (6 mL) was added dropwise, followed by stirring for 30 minutes. Thereafter, tetrahydrofuran was distilled off on a rotary evaporator, and then the concentrated solution was extracted with chloroform. The organic phase was dried over anhydrous magnesium, filtered, and concentrated on a rotary evaporator. The residue was purified by silica gel column chromatography using a mixed solvent of hexane: chloroform 3: 1 as a mobile phase to obtain [2,8-bis (4- (trifluoromethyl) phenyl) -5,11 as a black purple solid. -Di (triisopropylsilylethynyl)] anthradithiophene (6) (80 mg, 15% yield) was obtained.
mp.> 300 ° C; 1 H NMR (300MHz, CDCl 3 ) δ1.37 (m, 42H, i-Pr), 7.73 (d, 4H, J = 8.10 Hz, ArH), 7.74 (s, 2H, ThH) , 7.92 (d, 4H, J = 8.10 Hz, ArH), 9.11 (s, 2H, ArH), 9.14 (s, 2H, ArH); MALDI-TOFMS method, m / z = 938 (M + )
In Examples, for various measurements of the obtained compounds, 1H-NMR, 13C-NMR and 19F-NMR measurements were performed using BRUKER's Ultra Shield 300, and mass spectrometry was performed using Shimadzu Corporation's GCMS-QP2010, or MALDI. -Measured using TOFMS AXIMA-CFR plus.
有機薄膜トランジスタの実施例として、本発明の有機半導体を用いたトップコンタクト型の有機TFTを試作した。基板およびゲート電極として高ドープn型シリコンウエハーを用いた。ゲート絶縁層にはシリコンウエハー上に形成された厚み200nmの熱酸化膜(SiO2)を用いた。この熱酸化膜表面を酸洗浄した後に、ヘキサメチルジシラザンで表面処理した。この基板を真空蒸着装置にセットして真空度10−6Torrまで排気後に本発明の有機半導体(即ち、上記の化合物(5)で示される、2,8−ビス(4−(トリフルオロメチル)フェニル)アントラジチオフェンである。)を蒸着により厚み30nmに成膜した。最後に、その成膜上にシャドーマスクを用いて真空蒸着で、厚み50nmの金のソース、ドレイン電極を形成した。なお、この場合のチャネル幅は1000μm、チャネル長は50μmとした。 As an example of the organic thin film transistor, a top contact type organic TFT using the organic semiconductor of the present invention was prototyped. A highly doped n-type silicon wafer was used as the substrate and gate electrode. As the gate insulating layer, a thermal oxide film (SiO 2 ) having a thickness of 200 nm formed on a silicon wafer was used. The surface of the thermal oxide film was acid cleaned and then surface treated with hexamethyldisilazane. This substrate was set in a vacuum deposition apparatus and evacuated to a vacuum degree of 10 −6 Torr, and then the organic semiconductor of the present invention (ie, 2,8-bis (4- (trifluoromethyl) represented by the above compound (5)). Phenyl) anthradithiophene)) was deposited to a thickness of 30 nm by vapor deposition. Finally, 50 nm thick gold source and drain electrodes were formed on the film by vacuum deposition using a shadow mask. In this case, the channel width was 1000 μm and the channel length was 50 μm.
図3に有機半導体を成膜する際の基板温度が室温の場合と、80℃の場合のトランジスタ特性を示す。ドレイン電圧80V印加時において、ゲート電圧を-10Vから80Vまで掃引したときのドレイン電流値を測定した。基板温度が室温では閾値電圧が33Vであったが、80℃では18Vまで低下した。従来の閾値電圧に比べてかなり低い。同時にドレイン電流の増大が観測され、比較的高い移動度として0.1cm2/Vsが得られた。電流値のオン・オフ比は5 x 105であった。表1に各トランジスタの性能値を示す。 FIG. 3 shows transistor characteristics when the organic semiconductor film is formed at room temperature and at 80 ° C. The drain current value was measured when the gate voltage was swept from -10V to 80V when the drain voltage was 80V. The threshold voltage was 33V when the substrate temperature was room temperature, but decreased to 18V at 80 ° C. It is considerably lower than the conventional threshold voltage. At the same time, an increase in drain current was observed, and a relatively high mobility of 0.1 cm 2 / Vs was obtained. The on / off ratio of the current value was 5 × 10 5 . Table 1 shows the performance values of each transistor.
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