JP3955872B2 - Organic device using organic compound having different functional groups with different elimination reactivity at both ends - Google Patents
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Description
本発明は、両末端に脱離反応性の異なる異種官能基を有する有機化合物を用いた有機デバイスおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to an organic device using an organic compound having different functional groups with different elimination reactivity at both ends and a method for producing the same.
従来では、半導体デバイスの多くは、シリコン結晶のような無機材料が用いられてきた。しかしながら、無機材料ではデバイスの微細化に伴い結晶欠陥が生じ、デバイス性能に影響を及ぼし、微細加工に限界が生じている。 Conventionally, an inorganic material such as a silicon crystal has been used in many semiconductor devices. However, in the inorganic material, crystal defects are generated with the miniaturization of the device, which affects the device performance and limits the fine processing.
近年、無機材料を用いた半導体に対し、製造が簡単で加工しやすく、デバイスの大型化にも対応でき、かつ量産によるコスト低下が見込め、無機材料よりも多様な機能を有した有機化合物を合成できることから、有機化合物を用いた半導体(有機半導体)の研究開発が行われ、その成果が報告されている。 In recent years, semiconductors using inorganic materials are easy to manufacture, easy to process, can respond to device enlargement, and can be expected to reduce costs due to mass production, and synthesize organic compounds with more functions than inorganic materials. Because of this, research and development of semiconductors (organic semiconductors) using organic compounds has been conducted, and the results have been reported.
有機化合物は、化学構造や処理条件によって結晶性又は非晶性を示す。有機化合物を半導体デバイスに使用する場合、目的とする特性に適した材料を選択する必要がある。高いキャリア移動性が求められるトランジスタのようなデバイスでは、有機化合物からなる膜に一般に結晶性が要求される。有機化合物の内、分子量に分布がある高分子材料では100%完全結晶の実現は極めて困難であるので、通常低分子有機化合物がデバイスに使用される。また、デバイスの小型化や量子効果の発現のために、有機化合物からなる膜が高度に結晶化していることが望まれる。 The organic compound exhibits crystallinity or amorphousness depending on the chemical structure and processing conditions. When using an organic compound in a semiconductor device, it is necessary to select a material suitable for the intended characteristics. In a device such as a transistor that requires high carrier mobility, crystallinity is generally required for a film made of an organic compound. Of the organic compounds, a high molecular weight material having a distribution in molecular weight makes it very difficult to realize 100% perfect crystal, and thus low molecular organic compounds are usually used for devices. In addition, it is desired that a film made of an organic compound is highly crystallized in order to reduce the size of the device and to develop the quantum effect.
有機半導体デバイスは、有機材料にドーピング等の処理を行わない場合、用いる接触電極材料界面からのキャリア注入によりキャリアを得ることになる。キャリア注入効率を高めるためには、電極に直接接触した有機化合物は用いる金属電極とイオン化ポテンシャルが同程度であることが要求されるため、有機化合物の種類が制限される。つまり電極上及び電極間は、キャリア注入層のような緩衝層を含む積層膜により形成された有機薄膜が最適な形態となる。 When the organic semiconductor device does not perform processing such as doping on the organic material, carriers are obtained by carrier injection from the interface of the contact electrode material to be used. In order to increase the carrier injection efficiency, the organic compound in direct contact with the electrode is required to have the same ionization potential as that of the metal electrode to be used, so that the type of the organic compound is limited. That is, an organic thin film formed of a laminated film including a buffer layer such as a carrier injection layer is optimally formed on and between the electrodes.
有機化合物のなかでも、π電子共役系分子を含有する有機化合物を利用することにより、大きな移動度を有するTFTを作製することができることが知られている。この有機化合物としては、代表例としてペンタセンが報告されている(例えば、非特許文献1)。ここでは、ペンタセンを用いて有機半導体層を作製し、この有機半導体層でTFTを形成すると、電界効果移動度が1.5cm2/Vsとなり、アモルファスシリコンよりも大きな移動度を有するTFTを構築することが可能であるとの報告がなされている。 Among organic compounds, it is known that a TFT having a large mobility can be manufactured by using an organic compound containing a π-electron conjugated molecule. As this organic compound, pentacene has been reported as a representative example (for example, Non-Patent Document 1). Here, when an organic semiconductor layer is formed using pentacene and a TFT is formed using this organic semiconductor layer, a field effect mobility is 1.5 cm 2 / Vs, and a TFT having a mobility higher than that of amorphous silicon is constructed. It has been reported that this is possible.
しかし、上記に示すようなアモルファスシリコンよりも高い電界効果移動度を得るための有機化合物半導体層を作製する場合、抵抗加熱蒸着法や分子線蒸着法等の真空プロセスを必要とするため、製造工程が煩雑となるとともに、ある特定の条件下でしか結晶性を有する膜が得られない。また、基板上への有機化合物膜の吸着が物理吸着であるため、膜の基板への吸着強度が低く、容易に剥がれるという問題がある。更に、膜中での有機化合物の分子の配向をある程度制御するために、通常、あらかじめ膜を形成する基板にラビング処理等による配向制御が行われているが、物理吸着による成膜では、物理吸着した有機化合物と基板との界面での化合物の分子の整合性や配向性を制御できるとの報告は未だなされていない。 However, when producing an organic compound semiconductor layer for obtaining a field effect mobility higher than that of amorphous silicon as shown above, a vacuum process such as resistance heating vapor deposition or molecular beam vapor deposition is required. Becomes complicated, and a film having crystallinity can be obtained only under certain specific conditions. Further, since the adsorption of the organic compound film on the substrate is physical adsorption, there is a problem that the adsorption strength of the film to the substrate is low and the film is easily peeled off. Furthermore, in order to control the molecular orientation of the organic compound in the film to some extent, the orientation control by rubbing or the like is usually performed in advance on the substrate on which the film is formed. It has not yet been reported that the molecular alignment and orientation of the compound at the interface between the organic compound and the substrate can be controlled.
一方、このTFTの特性の代表的な指針となる電界効果移動度に大きな影響を及ぼす膜の規則性、結晶性については、近年、その製造が簡便なことから、有機化合物を用いた自己組織化膜が着目され、その膜を利用する研究がなされている。 On the other hand, with regard to the regularity and crystallinity of the film that has a great influence on the field-effect mobility, which is a representative guideline for the characteristics of this TFT, in recent years its production is simple, so that self-organization using organic compounds is possible. Membranes have attracted attention, and research on the use of these membranes has been made.
自己組織化膜とは、有機化合物の一部を、基板表面の官能基と結合させたものであり、きわめて欠陥が少なく、高い秩序性すなわち結晶性を有した膜である。この自己組織化膜は、製造方法がきわめて簡便であるため、基板への成膜を容易に行うことができる。通常、自己組織化膜として、金基板上に形成されたチオール膜や、親水化処理により表面に水酸基を突出可能な基板(例えば、シリコン基板)上に形成されたケイ素系化合物膜が知られている。なかでも、耐久性が高い点で、ケイ素系化合物膜が注目されている。ケイ素系化合物膜は、従来から撥水コーティングとして使用されており、撥水効果の高いアルキル基や、フッ化アルキル基を有機官能基として有するシランカップリング剤が用いて成膜されていた。 A self-assembled film is a film in which a part of an organic compound is bonded to a functional group on a substrate surface, has very few defects, and has high order, that is, crystallinity. Since this self-assembled film has a very simple manufacturing method, it can be easily formed on a substrate. Usually, as a self-assembled film, a thiol film formed on a gold substrate and a silicon-based compound film formed on a substrate (for example, a silicon substrate) capable of protruding a hydroxyl group on the surface by a hydrophilization treatment are known. Yes. Of these, silicon compound films are attracting attention because of their high durability. The silicon-based compound film has been conventionally used as a water-repellent coating, and has been formed using a silane coupling agent having an alkyl group having a high water-repellent effect or a fluorinated alkyl group as an organic functional group.
しかし、自己組織化膜の導電性は、膜に含まれるケイ素系化合物中の有機官能基によって決定されるが、市販のシランカップリング剤には、有機官能基にπ電子共役系分子が含まれる化合物はなく、そのため自己組織化膜に導電性を付与することが困難である。したがって、TFTのようなデバイスに適した、π電子共役系分子が有機官能基として含まれるケイ素系化合物が求められている。 However, the conductivity of the self-assembled film is determined by the organic functional group in the silicon-based compound contained in the film, but commercially available silane coupling agents contain π-electron conjugated molecules in the organic functional group. There are no compounds, so it is difficult to impart conductivity to the self-assembled film. Accordingly, there is a need for a silicon-based compound suitable for devices such as TFTs and containing a π-electron conjugated molecule as an organic functional group.
このようなケイ素系化合物として、分子の末端に官能基としてチオフェン環を1つ有し、チオフェン環が直鎖炭化水素基を介してSiと結合した化合物が提案されている(例えば、特許文献1)。更に、ポリアセチレン膜として、化学吸着法により、基板上に−Si−O−ネットワークを形成して、アセチレン基の部分を重合させるものが提案されている(例えば、特許文献2)。また更に、有機材料として、チオフェン環の2、5位に直鎖炭化水素基がそれぞれ結合し、直鎖炭化水素の末端とシラノール基とが結合したケイ素化合物を用い、これを基板上に自己組織化させ、更に電界重合等により分子同士を重合させて導電性薄膜を形成し、この導電性薄膜を半導体層として使用した有機デバイスが提案されている(例えば、特許文献3)。更にまた、ポリチオフェンに含まれるチオフェン環にシラノール基を有するケイ素化合物を主成分とした半導体薄膜を利用した電界効果トランジスタが提案されている(例えば、特許文献4)。 As such a silicon-based compound, a compound having one thiophene ring as a functional group at the end of a molecule, and the thiophene ring being bonded to Si via a linear hydrocarbon group has been proposed (for example, Patent Document 1). ). Furthermore, as a polyacetylene film, a film in which a —Si—O— network is formed on a substrate by a chemical adsorption method and a portion of an acetylene group is polymerized has been proposed (for example, Patent Document 2). Further, as the organic material, a silicon compound in which a linear hydrocarbon group is bonded to the 2nd and 5th positions of the thiophene ring and the end of the linear hydrocarbon is bonded to the silanol group is used. Further, an organic device has been proposed in which molecules are polymerized by electric field polymerization or the like to form a conductive thin film, and the conductive thin film is used as a semiconductor layer (for example, Patent Document 3). Furthermore, a field effect transistor using a semiconductor thin film mainly composed of a silicon compound having a silanol group in a thiophene ring contained in polythiophene has been proposed (for example, Patent Document 4).
しかしながら、上記に提案されている化合物は、基板との化学吸着可能な自己組織化膜は作製可能であるが、TFT等の電子デバイスに使用できる高い秩序性、結晶性、電気伝導特性を有する膜を必ずしも作製できなかった。更に、上記に提案されている化合物を有機TFTの半導体層に使用した場合、オフ電流が大きくなる問題点を有していた。これは、提案されている化合物が、いずれも分子の方向及び分子に垂直な方向に結合を有するためであると考えられる。 However, although the compounds proposed above can produce a self-assembled film that can be chemically adsorbed to a substrate, the film has high order, crystallinity, and electrical conductivity that can be used in electronic devices such as TFTs. Could not always be produced. Furthermore, when the compound proposed above is used for the semiconductor layer of the organic TFT, there is a problem that the off-current becomes large. This is thought to be because all of the proposed compounds have bonds in the direction of the molecule and in the direction perpendicular to the molecule.
高い秩序性、すなわち、高い結晶性を得るためには、分子間に高い引力相互作用が働く必要がある。分子間力とは、引力項と反発項により構成されており、前者は分子間距離の6乗に、後者は分子間距離の12乗に反比例する。したがって、引力項と反発項を足し合わせた分子間力は図10に示す関係を有する。ここで、図10での極小点(図中の矢印部分)が、引力項と反発項との兼ね合いから最も分子間に高い引力が作用するときの分子間距離である。すなわち、より高い結晶性を得るためには、分子間距離を極小点にできる限り近づけることが重要である。したがって、本来、抵抗加熱蒸着法や分子線蒸着法等の真空プロセスにおいては、ある特定の条件下においてのみ、π電子共役系分子同士の分子間相互作用をうまく制御することで、高い秩序性、すなわち結晶性が得られている。このように分子間相互作用により構築される結晶性でのみ、高い電気伝導特性を発現することが可能となる。 In order to obtain high order, that is, high crystallinity, a high attractive interaction must be exerted between molecules. The intermolecular force is composed of an attractive term and a repulsion term, the former being inversely proportional to the sixth power of the intermolecular distance and the latter being inversely proportional to the twelfth power of the intermolecular distance. Therefore, the intermolecular force obtained by adding the attractive force term and the repulsive term has the relationship shown in FIG. Here, the minimum point in FIG. 10 (arrow part in the figure) is the intermolecular distance when the highest attractive force acts between the molecules due to the balance between the attractive term and the repulsive term. That is, in order to obtain higher crystallinity, it is important to make the intermolecular distance as close as possible to the minimum point. Therefore, originally, in vacuum processes such as resistance heating vapor deposition and molecular beam vapor deposition, high orderliness is achieved by controlling the intermolecular interaction between π-electron conjugated molecules only under certain conditions. That is, crystallinity is obtained. Thus, it becomes possible to express high electrical conduction characteristics only with the crystallinity constructed by the intermolecular interaction.
一方、上記化合物は、Si−O−Siの2次元ネットワークを形成することで基板と化学吸着し、かつ、特定の長鎖アルキル同士の分子間相互作用による秩序性が得られる可能性はあるが、官能基である1つのチオフェン分子がπ電子共役系に寄与するのみであるため、分子間の相互作用が弱く、また電気伝導性に不可欠なπ電子共役系の広がりが非常に小さいという問題があった。仮に、上記官能基であるチオフェン分子の分子数を増やすことができたとしても、膜の秩序性を形成する因子が、長鎖アルキル部とチオフェン部との間で、分子間相互作用を整合一致させることは困難である。 On the other hand, the above compound may be chemically adsorbed to the substrate by forming a two-dimensional network of Si-O-Si, and there is a possibility that ordering due to intermolecular interaction between specific long-chain alkyls may be obtained. However, since one thiophene molecule as a functional group only contributes to the π-electron conjugated system, there is a problem that the interaction between molecules is weak and the spread of the π-electron conjugated system essential for electrical conductivity is very small. there were. Even if the number of thiophene molecules, which are the above functional groups, can be increased, the factor that forms the order of the film matches the intermolecular interaction between the long-chain alkyl part and the thiophene part. It is difficult to make it.
更に、電気伝導特性としては、官能基である1つのチオフェン分子では、HOMO−LUMOエネルギーギャップが大きく、有機半導体層としてTFT等に使用しても、十分なキャリア移動度が得られないという課題が存在していた。 Furthermore, as an electrical conduction characteristic, a single thiophene molecule that is a functional group has a large HOMO-LUMO energy gap, and there is a problem that sufficient carrier mobility cannot be obtained even when used as an organic semiconductor layer in a TFT or the like. Existed.
また、末端にシリル基を有するケイ素化合物を用いて化学吸着法によって単分子が累積した膜(累積膜)を基板上に形成する場合、末端のシリル基の反応性が問題になってくる。これまでに報告された化学吸着法を利用した累積膜の調整方法としては、たとえば特許文献5がある。この特許では基板と吸着反応を起こす化合物として、トリクロロシリル基を両末端に有するアルキルシラン化合物を用いている。具体的には、基板表面に単分子膜を形成した後、化合物の空気界面側に残っているトリクロロシリル基を新たな吸着反応サイトとして、単分子膜を累積することからなる累積膜の形成方法が示されている。 In addition, when a film (cumulative film) in which single molecules are accumulated by a chemical adsorption method using a silicon compound having a silyl group at the terminal is formed on the substrate, the reactivity of the terminal silyl group becomes a problem. As a method for adjusting the cumulative film using the chemical adsorption method reported so far, there is, for example, Patent Document 5. In this patent, an alkylsilane compound having trichlorosilyl groups at both ends is used as a compound that causes an adsorption reaction with the substrate. Specifically, after forming a monomolecular film on the substrate surface, a method of forming a cumulative film comprising accumulating the monomolecular film using the trichlorosilyl group remaining on the air interface side of the compound as a new adsorption reaction site It is shown.
しかしながら、トリクロロシリル基は塩素原子の脱離反応の反応性が極めて激しいことが知られている。両末端にトリクロロシリル基を有している場合、単分子膜形成時にいずれの末端のトリクロロシリル基も加水分解反応する。その結果、このケイ素化合物は、基板との吸着反応を起こすと同時に、未反応側の末端基を次の吸着点として、二分子、三分子化を同時に生じる。ゆえに、従来の化合物による化学吸着法では、膜厚が均一で、かつ結晶配列の秩序性が高い単分子累積膜を再現性よく形成することは困難であった。膜厚が不均一で、結晶配列の秩序性が低い単分子累積膜を用いたデバイスは累積膜の間でキャリアがトラップされるために、性能の劣化が生じてしまう。
本発明はまた、簡便な方法により容易に製造できる電気伝導特性に優れた有機デバイス、およびその製造方法を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide an organic device excellent in electric conduction characteristics that can be easily manufactured by a simple method, and a manufacturing method thereof.
本発明は、一般式(I);
本発明はまた、(式) H−B−MgX (2)
(式中、Bは2価の有機基であり、Xはハロゲン原子である)で示される化合物と、
(式) Y1−Si(A1)(A2)(A3) (3)
(式中、Y1はハロゲン原子であり、A1〜A3はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜18のアルキル基である)で示される化合物とを反応させて、
(式) H−B−Si(A1)(A2)(A3) (4)
を合成し、
式(4)中、Bにハロゲン原子を結合させ、エトキシエタン又はテトラヒドロフラン(THF)の存在下で、マグネシウムやリチウム金属と反応させて
(式) MgX−B−Si(A1)(A2)(A3) (5)
で示される化合物を合成した後、
(式) Y2−Si(A4)(A5)(A6) (6)
(式中、Y2はハロゲン原子であり、A4〜A6はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜18のアルキル基であり、脱離反応性についてA1〜A3>A4〜A6の関係を満たす)で示される化合物と反応させて、上記有機化合物を得ることを特徴とする有機デバイスの製造方法に関する。
本発明はまた、上記有機化合物を用いて形成された有機デバイスに関する。
The present invention also provides (formula) H-B-MgX (2)
(Wherein B is a divalent organic group and X is a halogen atom);
(Formula) Y 1 -Si (A 1) (A 2) (A 3) (3)
(Wherein Y 1 is a halogen atom, and A 1 to A 3 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms or an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms). Reaction with the compound
(Formula) H-B-Si (A 1) (A 2) (A 3) (4)
Synthesize
In the formula (4), a halogen atom is bonded to B and reacted with magnesium or lithium metal in the presence of ethoxyethane or tetrahydrofuran (THF) (formula) MgX-B-Si (A 1 ) (A 2 ) (A 3 ) (5)
After synthesizing the compound represented by
(Formula) Y 2 -Si (A 4) (A 5) (A 6) (6)
(Wherein Y 2 is a halogen atom, and A 4 to A 6 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms or an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, and is eliminated. the reactivity is reacted with a 1 ~A 3> a 4 satisfy the relationship to a 6) compounds represented by a process for the preparation of an organic device, characterized in that to obtain the organic compound.
The present invention also relates to an organic device formed using the organic compound.
本発明はまた、(式) X1−B−X2 (8)
(式中、Bは2価の有機基であり、X1及びX2は、それぞれ異なって、ハロゲン原子である。)で示される化合物を、マグネシウム又はリチウムからなる金属触媒を用いてグリニヤール反応剤とした後、
(式) Y1−Si(A1)(A2)(A3) (3)
(式中、Y1はハロゲン原子であり、A1〜A3はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜18のアルキル基である)で示される化合物と反応させ、下記式で表されるグリニヤール反応剤
(式) Si(A1)(A2)(A3)−B−MgX2 (9)
を得、その後、
(式) Y2−Si(A4)(A5)(A6) (6)
(式中、Y2はハロゲン原子であり、A4〜A6はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜18のアルキル基であり、脱離反応性についてA1〜A3>A4〜A6の関係を満たす)で示される化合物と(式9)で示される化合物とを反応させて、上記有機化合物を得ることを特徴とする有機デバイスの製造方法に関する。
本発明はまた、上記有機化合物を用いて形成された有機デバイスに関する。
The present invention also provides: (Formula) X 1 -BX 2 (8)
(Wherein B is a divalent organic group, X 1 and X 2 are different from each other and are a halogen atom), and a Grignard reactant using a metal catalyst comprising magnesium or lithium. And then
(Formula) Y 1 -Si (A 1) (A 2) (A 3) (3)
(Wherein Y 1 is a halogen atom, and A 1 to A 3 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms or an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms). Grignard reactant represented by the following formula (formula) Si (A 1 ) (A 2 ) (A 3 ) -B-MgX 2 (9)
And then
(Formula) Y 2 -Si (A 4) (A 5) (A 6) (6)
(In the formula, Y 2 is a halogen atom, and A 4 to A 6 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms or an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, and is eliminated. An organic device characterized in that the organic compound is obtained by reacting a compound represented by (Formula 9) with a compound represented by (Formula 9), wherein the reactivity is A 1 to A 3 > A 4 to A 6 are satisfied It relates to the manufacturing method.
The present invention also relates to an organic device formed using the organic compound.
本発明はまた、(1)上記有機化合物におけるA1〜A3を有するシリル基と基板表面とを反応させ、基板に直接吸着した単分子層からなる単一単分子膜を形成する工程、
(2)未反応の有機化合物を非水系溶媒を用いて洗浄除去する工程、および
(3)得られた単分子膜の膜表面側に存在する未反応のシリル基を吸着反応のサイトとして、上記有機化合物からなる単分子膜を累積させる工程を含んでなることを特徴とする有機デバイスの製造方法に関する。
The present invention also includes (1) a step of reacting a silyl group having A 1 to A 3 in the organic compound with a substrate surface to form a monomolecular film composed of a monomolecular layer directly adsorbed on the substrate,
(2) a step of washing and removing unreacted organic compounds using a non-aqueous solvent, and (3) the unreacted silyl group present on the film surface side of the obtained monomolecular film as an adsorption reaction site, The present invention relates to a method for manufacturing an organic device comprising a step of accumulating monomolecular films made of an organic compound.
本明細書中において、単一単分子膜とは1層の単分子膜からなる有機薄膜を意味するものとする。
また単分子累積膜とは、2層以上の単分子膜が累積(積層)されてなる有機薄膜を意味するものとする。
In the present specification, a single monomolecular film means an organic thin film composed of a single monomolecular film.
The monomolecular cumulative film means an organic thin film in which two or more monomolecular films are accumulated (laminated).
本発明の有機化合物は、化合物分子間で形成されるSi−O−Siの2次元ネットワーク化により、基板に化学吸着すると共に、膜の結晶化に必要な近距離力である、分子同士に作用する分子間相互作用が、効率的に働くため、非常に高い安定性を有し、且つ、高度に結晶化された膜を構成することができる。したがって、基板に物理吸着により作製した膜と比較して、得られた膜を基板表面に強固に吸着させて、物理的な剥がれを防止することができる。 The organic compound of the present invention is chemically adsorbed to a substrate by forming a two-dimensional network of Si-O-Si formed between compound molecules, and acts on molecules, which is a short distance force necessary for crystallization of a film. Since the intermolecular interaction that works works efficiently, it is possible to construct a highly crystallized film having very high stability. Therefore, compared to a film produced by physical adsorption on the substrate, the obtained film can be strongly adsorbed on the surface of the substrate and physical peeling can be prevented.
また、有機薄膜を構成する有機化合物由来のネットワークと有機基が直接結合しており、かつ有機化合物由来のネットワークとπ共役系分子の分子間相互作用によって、高い秩序性(結晶性)を有する有機薄膜を形成することができる。これにより、分子平面と垂直な方向へのホッピング伝導により、キャリアの移動がスムーズに行われる。また、分子軸方向へも高い導電性が得られることで、導電性材料として、有機薄膜トランジスタ材料のみならず、太陽電池、燃料電池、センサ等に広く応用することが可能となる。
しかも、上記のような化合物を簡便に製造することが可能になる。
In addition, the organic compound-derived network and the organic group that compose the organic thin film are directly bonded, and the organic compound-derived network and the organic compound having high ordering (crystallinity) due to the intermolecular interaction between the π-conjugated molecules. A thin film can be formed. Thereby, carriers are smoothly moved by hopping conduction in a direction perpendicular to the molecular plane. In addition, since high conductivity is obtained in the molecular axis direction, the conductive material can be widely applied not only to organic thin film transistor materials but also to solar cells, fuel cells, sensors, and the like.
Moreover, it becomes possible to easily produce the above compounds.
また、式(I)で示されているように、両端にシリル基を有する有機化合物において、ケイ素に結合する基の脱離反応性を両端のシリル基で異ならせることにより、基板への吸着及び膜表面への吸着反応等を逐次かつ選択的に再現性よく行うことができる。このことから、本発明は、従来技術に比べ、膜形状、分子の配向性が均一で更に再現性良く累積膜を形成することが可能となる。つまり、分子が膜面内方向のみならず膜厚方向に高度に秩序性よく配列した高い分子配向性を有した有機薄膜を作製することができる。 Further, as shown in the formula (I), in an organic compound having silyl groups at both ends, the elimination reactivity of the group bonded to silicon is different between the silyl groups at both ends, thereby adsorbing on the substrate and The adsorption reaction on the film surface can be sequentially and selectively performed with good reproducibility. Thus, the present invention can form a cumulative film with a uniform film shape and molecular orientation and higher reproducibility than the prior art. That is, it is possible to produce an organic thin film having high molecular orientation in which molecules are arranged not only in the in-plane direction but also in a film thickness direction with high order.
そのような有機薄膜を単分子累積膜として作製した場合、有機薄膜は、構成単位である数nm厚の単分子層の電気特性に対応して膜厚方向に異なる電気特性を有する。その結果、キャリア移動効率、電極界面における電荷注入効率等を制御できる。更には、高密度記録、高速応答及び/又は高感度の光/温度/ガスセンサデバイスに応用できる。 When such an organic thin film is produced as a monomolecular cumulative film, the organic thin film has different electrical characteristics in the film thickness direction corresponding to the electrical characteristics of a monomolecular layer having a thickness of several nanometers as a structural unit. As a result, carrier transfer efficiency, charge injection efficiency at the electrode interface, and the like can be controlled. Furthermore, it can be applied to high density recording, high speed response and / or high sensitivity light / temperature / gas sensor devices.
更に、本発明の有機化合物は、自己組織化特性を有しているので、高度に結晶性及び配向性を有した有機薄膜の作製を真空中で行う必要がなく、大気中で行うことができる。このことは、製造が簡便で安価であることを意味し、よって工業プロセスとしてもメリットが大きい。 Furthermore, since the organic compound of the present invention has a self-organizing property, it is not necessary to produce an organic thin film having high crystallinity and orientation in a vacuum, and can be carried out in the air. . This means that the production is simple and inexpensive, and therefore has great merit as an industrial process.
また、基板の前処理である親水化処理をパターニングして行えば、膜厚方向のみならず膜面内方向にも電気特性に異方性を付与できる。つまり、擬3次元で電気特性の異なる有機薄膜を調製することが可能となり、次世代電気デバイスへの応用も拡がる。 Further, if the hydrophilic treatment, which is a pretreatment of the substrate, is performed by patterning, anisotropy can be imparted to the electrical characteristics not only in the film thickness direction but also in the film in-plane direction. That is, it becomes possible to prepare organic thin films having different electrical characteristics in a pseudo three-dimensional manner, and the application to next-generation electric devices is also expanded.
単分子累積膜は、基板から垂直方向に導電性、熱感応性、光感応性の異なる材料を数nmオーダーで配列させることができることから、高密度記録、高速応答スイッチ、微細領域導電性等の分野、電子及び正孔注入、電子及び正孔輸送、発光層のような厚さnmオーダーでヘテロ構造を有する有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子、太陽電池等に用いられる光電変換素子等に応用させることができる。 Monomolecular accumulation film can arrange materials with different conductivity, heat sensitivity, and light sensitivity in the vertical direction from the substrate in the order of several nanometers, so high density recording, high speed response switch, fine region conductivity, etc. Field, electron and hole injection, electron and hole transport, organic electroluminescence (EL) elements having a heterostructure with a thickness on the order of nm, such as a light emitting layer, photoelectric conversion elements used in solar cells, etc. Can do.
(有機化合物)
本発明の有機化合物は、分子の両末端に脱離反応性の異なる異種官能基を有するものであり、すなわち一般式(I);
The organic compound of the present invention has different functional groups with different elimination reactivity at both ends of the molecule, that is, the general formula (I);
式(I)中、A1〜A6はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜18のアルキル基であり、A1〜A6は脱離反応性についてA1〜A3>A4〜A6の関係を満たす。 In formula (I), A 1 to A 6 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms or an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, and A 1 to A 6 are eliminated. for reactivity satisfy the relation of a 1 ~A 3> a 4 ~A 6.
本発明において、脱離反応性とは「水中における基の脱離し易さ」を意味し、脱離反応性が高いほど水中において当該基の脱離(加水分解)が容易になされることを示す。
また、脱離反応性についてのA1〜A3>A4〜A6の関係とは、A1〜A3のうちの少なくとも1個の基、好ましくは全ての基の当該反応性が、A4〜A6のうちの脱離反応性が最も高い基の当該反応性よりも高い関係を意味する。そのような関係を満たす限り、A1〜A3は同一でも異なっていてもよく、A4〜A6もまた同一でも異なっていてもよい。
In the present invention, elimination reactivity means “ease of group elimination in water”, and the higher the elimination reactivity, the easier the elimination (hydrolysis) of the group in water. .
Further, the relationship of A 1 to A 3 > A 4 to A 6 regarding elimination reactivity means that the reactivity of at least one group, preferably all groups, of A 1 to A 3 is A 4 to a elimination reactivity of the 6 means a higher relationship than the reactivity of the highest group. As long as such a relationship is satisfied, A 1 to A 3 may be the same or different, and A 4 to A 6 may also be the same or different.
本発明の有機化合物はこのように一方の末端には脱離反応性が比較的低いA4〜A6を有するシリル基を備え、他方の末端には当該A4〜A6よりも脱離反応性が高い基をA1〜A3のうちの少なくとも1個の基として有するシリル基を備える。そのため、水のプロトン濃度等を調整することにより、本発明の有機化合物が有する2個のシリル基の反応性をシリル基ごとに制御可能となり、一方のシリル基による基板や有機膜表面への吸着反応およびその後の他方のシリル基による吸着反応を容易に制御可能となる。その結果として、膜厚が均一で、かつ分子配列の秩序性が高い単一単分子膜およびその累積膜を再現性良く製造可能となる。 As described above, the organic compound of the present invention has a silyl group having A 4 to A 6 having relatively low elimination reactivity at one end, and the elimination reaction at the other end is higher than that of A 4 to A 6. A silyl group having a highly functional group as at least one of A 1 to A 3 . Therefore, by adjusting the proton concentration of water, etc., the reactivity of the two silyl groups of the organic compound of the present invention can be controlled for each silyl group, and the adsorption of one silyl group onto the substrate or the organic film surface The reaction and the subsequent adsorption reaction by the other silyl group can be easily controlled. As a result, it is possible to manufacture a single monomolecular film having a uniform film thickness and a high order of molecular arrangement and its accumulated film with good reproducibility.
A1〜A6になり得るハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられる。
アルコキシ基は、本発明の化合物の溶解性および成膜性の観点から、炭素数が1〜10、好ましくは1〜6、より好ましくは1〜4である。アルコキシ基の好ましい具体例として、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−または2−プロポキシ基、n−、sec−またはtert−ブトキシ基、n−ペンチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基等が挙げられる。また、アルコキシ基のメチレン基の数が大きすぎると、当該炭素鎖の凝集による結晶化が生じ一種の絶縁層となるために、デバイスとしての特性が落ちる。
Examples of the halogen atom that can be A 1 to A 6 include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom.
The alkoxy group has 1 to 10 carbon atoms, preferably 1 to 6 carbon atoms, more preferably 1 to 4 carbon atoms, from the viewpoints of solubility and film-forming property of the compound of the present invention. Preferable specific examples of the alkoxy group include, for example, methoxy group, ethoxy group, n- or 2-propoxy group, n-, sec- or tert-butoxy group, n-pentyloxy group, n-hexyloxy group and the like. . On the other hand, if the number of methylene groups in the alkoxy group is too large, crystallization due to aggregation of the carbon chain occurs and a kind of insulating layer is formed, so that the device characteristics are deteriorated.
アルキル基は、本発明の化合物の溶解性および成膜性の観点から、炭素数が1〜18、好ましくは1〜10、より好ましくは1〜6である。アルキル基の好ましい具体例として、例えば、メチル基、エチル基、n−または2−プロピル基、n−、sec−またはtert−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基等が挙げられる。また、アルキル基のメチレン基の数が大きすぎると、当該炭素鎖の凝集による結晶化が生じ一種の絶縁層となるために、デバイスとしての特性が落ちる。 The alkyl group has 1 to 18 carbon atoms, preferably 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 6 carbon atoms, from the viewpoints of solubility and film-forming property of the compound of the present invention. Preferable specific examples of the alkyl group include, for example, methyl group, ethyl group, n- or 2-propyl group, n-, sec- or tert-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl, n-heptyl group, n -An octyl group, n-nonyl group, n-decyl group, etc. are mentioned. On the other hand, if the number of methylene groups in the alkyl group is too large, crystallization due to aggregation of the carbon chain occurs and a kind of insulating layer is formed, so that the device characteristics are deteriorated.
上記原子および基の脱離反応性は、当該原子および基の塩基性に依存する。また、炭化水素基である場合、脱離反応性はメチレン基数および立体構造に依存する。そのため、全ての原子および基に関する脱離反応性の序列を一概に規定することはできないが、アルコキシ基およびアルキル基を1つの群と見なしたときの一般的な序列は以下の通りである。
第1群;ハロゲン原子
第2群;アルコキシ基およびアルキル基
第3群;水素原子
上記序列においては群の番号が大きくなるほど、脱離反応性は低くなる。
The elimination reactivity of the atoms and groups depends on the basicity of the atoms and groups. In the case of a hydrocarbon group, the elimination reactivity depends on the number of methylene groups and the three-dimensional structure. Therefore, the order of elimination reactivity for all atoms and groups cannot be defined in general, but the general order when the alkoxy group and the alkyl group are regarded as one group is as follows.
詳しくは、第1群においてハロゲン原子の脱離反応性は、ヨウ素、臭素、塩素の順で低下する。
第2群においてアルコキシ基およびアルキル基の脱離反応性は、炭素数が同じときは、アルコキシ基、アルキル基の順で低下するが、炭素数が異なるときは、炭素数及び立体構造に依存するために一概に規定できない。炭素数が異なるときのアルコキシ基内での序列またはアルキル基内での序列は一般に、炭素原子数が多くなるほど低くなる。また、立体構造の観点からは、アルコキシ基およびアルキル基の脱離反応性は一般に、それらの基が含有するアルキル基が第1級アルキル基、第2級アルキル基、第3級アルキル基である順に低くなる。
Specifically, in the first group, the elimination reactivity of halogen atoms decreases in the order of iodine, bromine, and chlorine.
In the second group, the elimination reactivity of the alkoxy group and alkyl group decreases in the order of alkoxy group and alkyl group when the carbon number is the same, but when the carbon number is different, it depends on the carbon number and the three-dimensional structure. Therefore, it cannot be specified unconditionally. When the number of carbon atoms is different, the order within the alkoxy group or the order within the alkyl group generally becomes lower as the number of carbon atoms increases. From the viewpoint of the three-dimensional structure, the elimination reactivity of alkoxy groups and alkyl groups is generally such that the alkyl groups contained in these groups are primary alkyl groups, secondary alkyl groups, and tertiary alkyl groups. It becomes lower in order.
特定の基(例えば、X基とY基)について脱離反応性の大小関係を知りたいときは、X基とY基を有するシラン化合物、例えば、Si(X)2(Y)2を水に添加し、一定時間撹拌した後、シランを分析することによって、それらの関係を知ることができる。すなわち、水酸基に置換されている基が脱離反応性の比較的高い基と言える。XおよびYの両基が水酸基に置換されている場合、または両基が置換されていない場合は、水のpHを、一方の基が水酸基に置換されるpHに調整すればよい。
分析方法はX基、Y基および水酸基の有無を確認できる方法であれば特に制限されず、例えば、質量分析、クロマトグラフ分析が挙げられる。
When it is desired to know the magnitude relationship of elimination reactivity for a specific group (for example, X group and Y group), a silane compound having an X group and a Y group, for example, Si (X) 2 (Y) 2 in water After adding and stirring for a certain time, the relationship between them can be known by analyzing the silanes. That is, a group substituted with a hydroxyl group can be said to be a group having relatively high elimination reactivity. When both X and Y groups are substituted with a hydroxyl group, or when both groups are not substituted, the pH of water may be adjusted to a pH at which one group is substituted with a hydroxyl group.
The analysis method is not particularly limited as long as it can confirm the presence or absence of X group, Y group and hydroxyl group, and examples thereof include mass spectrometry and chromatographic analysis.
上記のような本発明の有機化合物が有するA1〜A3とA4〜A6との好ましい組み合わせを以下に示す。
(1)A1〜A3はそれぞれ独立してハロゲン原子から選択され、好ましくは同時に塩素原子または臭素原子、特に塩素原子である;A4〜A6はそれぞれ独立してアルコキシ基から選択され、好ましくは同時にメトキシ基またはエトキシ基、特にエトキシ基である。
(2)A1〜A3はそれぞれ独立してハロゲン原子から選択され、好ましくは同時に塩素原子または臭素原子、特に塩素原子である;A4〜A6はそれぞれ独立してアルキル基から選択され、好ましくは同時にメチル基またはエチル基、特にエチル基である。
(3)A1〜A3はそれぞれ独立して炭素数1〜2のアルコキシ基から選択され、好ましくは同時にメトキシ基またはエトキシ基、特にメトキシ基である;A4〜A6はそれぞれ独立して炭素数3〜4のアルコキシ基から選択され、好ましくは同時に2−プロポキシ基、sec−またはtert−ブトキシ基、特にtert−ブトキシ基である。
(4)A1〜A3はそれぞれ独立して炭素数1〜2のアルコキシ基から選択され、好ましくは同時にメトキシ基またはエトキシ基、特にメトキシ基である;A4〜A6はそれぞれ独立して炭素数3〜4のアルキル基から選択され、好ましくは同時に2−プロピル基、sec−またはtert−ブチル基、特にtert−ブチル基である。
Preferred combinations of A 1 to A 3 and A 4 to A 6 included in the organic compound of the present invention as described above are shown below.
(1) A 1 to A 3 are each independently selected from a halogen atom, preferably simultaneously a chlorine atom or a bromine atom, in particular a chlorine atom; A 4 to A 6 are each independently selected from an alkoxy group; A methoxy group or an ethoxy group, particularly an ethoxy group is preferred at the same time.
(2) A 1 to A 3 are each independently selected from a halogen atom, preferably simultaneously a chlorine atom or a bromine atom, in particular a chlorine atom; A 4 to A 6 are each independently selected from an alkyl group; A methyl group or an ethyl group, particularly an ethyl group is preferred at the same time.
(3) A 1 to A 3 are each independently selected from an alkoxy group having 1 to 2 carbon atoms, and preferably are simultaneously a methoxy group or an ethoxy group, particularly a methoxy group; A 4 to A 6 are each independently It is selected from alkoxy groups having 3 to 4 carbon atoms, preferably 2-propoxy group, sec- or tert-butoxy group, particularly tert-butoxy group at the same time.
(4) A 1 to A 3 are each independently selected from an alkoxy group having 1 to 2 carbon atoms, and preferably are simultaneously a methoxy group or an ethoxy group, particularly a methoxy group; A 4 to A 6 are each independently It is selected from an alkyl group having 3 to 4 carbon atoms, preferably 2-propyl group, sec- or tert-butyl group, particularly tert-butyl group at the same time.
上記組み合わせの中で、より好ましい組み合わせは組み合わせ(1)および(2)、特に組み合わせ(1)である。 Among the above combinations, the more preferable combinations are the combinations (1) and (2), particularly the combination (1).
上記組み合わせ(1)を満たす本発明の化合物の具体例を以下に示す。
上記組み合わせ(2)を満たす本発明の化合物の具体例を以下に示す。
上記組み合わせ(3)を満たす本発明の化合物の具体例を以下に示す。
本発明においてA1〜A3とA4〜A6との組み合わせは、脱離反応性がA1〜A3>A4〜A6の関係を満たす限り、上記組み合わせに限定されるものではない。 In the present invention, the combination of A 1 to A 3 and A 4 to A 6 is not limited to the above combination as long as the elimination reactivity satisfies the relationship of A 1 to A 3 > A 4 to A 6. .
式(I)中、Bは2価の有機基であれば特に制限されず、例えば、π電子共役を示すものであっても、または示さないものであっても良い。すなわち、Bはπ電子共役を示す2価の有機基b1であってもよいし、またはπ電子共役を示さない2価の有機基b2であってもよい。Bがπ電子共役を示す2価の有機基b1であると、得られる有機薄膜が優れた電気特性を発揮する。 In the formula (I), B is not particularly limited as long as it is a divalent organic group. For example, B may or may not exhibit π electron conjugation. That is, B may be a divalent organic group b1 exhibiting π electron conjugation or a divalent organic group b2 not exhibiting π electron conjugation. When B is a divalent organic group b1 exhibiting π-electron conjugation, the obtained organic thin film exhibits excellent electrical characteristics.
π電子共役を示す2価の有機基b1は、π電子共役を示す骨格(π電子共役性骨格)を含有する分子に由来する基、例えば、当該分子から2個の水素原子を除いた残基である。π電子共役性骨格は所望の電気特性に応じて適宜決定され、ヘテロ環を含有してもよいし、かつ/または単環式または多環式構造を有していてもよい。そのようなπ電子共役性骨格として、例えば、芳香族骨格、複素環骨格および不飽和脂肪族骨格、ならびにそれらの複合骨格等が挙げられる。 The divalent organic group b1 showing π electron conjugation is a group derived from a molecule containing a skeleton showing π electron conjugation (π electron conjugate skeleton), for example, a residue obtained by removing two hydrogen atoms from the molecule It is. The π-electron conjugated skeleton is appropriately determined according to desired electrical characteristics, may contain a heterocycle, and / or may have a monocyclic or polycyclic structure. Examples of such a π-electron conjugated skeleton include an aromatic skeleton, a heterocyclic skeleton, an unsaturated aliphatic skeleton, and a composite skeleton thereof.
有機基b1を誘導し得るπ電子共役性骨格含有分子(π電子共役系化合物)としては、例えば、単環系芳香族化合物、縮合系芳香族化合物、単環系複素環化合物、縮合系複素環化合物、不飽和脂肪族化合物、およびそれらの化合物が2個以上結合した連結型化合物が挙げられる。 Examples of the π-electron conjugated skeleton-containing molecule (π-electron conjugated compound) capable of deriving the organic group b1 include a monocyclic aromatic compound, a condensed aromatic compound, a monocyclic heterocyclic compound, and a condensed heterocyclic ring. Examples thereof include compounds, unsaturated aliphatic compounds, and linked compounds in which two or more of these compounds are bonded.
単環系芳香族化合物としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、クメン等が挙げられる。
縮合系芳香族化合物としては、例えば、ナフタレン、アントラセン、ナフタセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、オクタセン、ノナセン、アズレン、フルオレン、ピレン、アセナフテン、ペリレン、アントラキノン等が挙げられる。具体的には、下記一般式(α1)〜(α3)(式(α1)中、nは0〜10)で表される化合物が挙げられる。
Examples of monocyclic aromatic compounds include benzene, toluene, xylene, mesitylene, cumene and the like.
Examples of the condensed aromatic compound include naphthalene, anthracene, naphthacene, pentacene, hexacene, heptacene, octacene, nonacene, azulene, fluorene, pyrene, acenaphthene, perylene, anthraquinone and the like. Specific examples include compounds represented by the following general formulas (α1) to (α3) (wherein n is 0 to 10 in the formula (α1)).
式(α1)で表される化合物はアセン骨格を含む化合物であり、式(α2)で表される化合物はアセナフテン骨格を含む化合物であり、式(α3)で表される化合物はペリレン骨格を含む化合物である。上記式(α1)のアセン骨格を含む化合物を構成するベンゼン環の数は2〜12個であることが好ましい。特に、合成の工程数や生成物の収率を考慮すると、ベンゼン環の数が2〜9であるナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、オクタセン、ノナセンが特に好ましい。なお、上記式(α1)では、ベンゼン環が直線状に縮合している化合物を形式上示しているが、例えば、フェナントレン、クリセン、ピセン、ペンタフェン、ヘキサフェン、ヘプタフェン、ベンゾアントラセン、ジベンゾフェナントレン、アントラナフタセン等のように非直線状に縮合している分子も式(α1)の化合物に含まれる。 The compound represented by the formula (α1) is a compound containing an acene skeleton, the compound represented by the formula (α2) is a compound containing an acenaphthene skeleton, and the compound represented by the formula (α3) contains a perylene skeleton. A compound. The number of benzene rings constituting the compound containing the acene skeleton of the above formula (α1) is preferably 2 to 12. In particular, in view of the number of synthesis steps and product yield, naphthalene, anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, octacene, and nonacene having 2 to 9 benzene rings are particularly preferable. In the above formula (α1), a compound in which a benzene ring is linearly condensed is shown in the form. Molecules that are condensed non-linearly, such as sen, are also included in the compound of formula (α1).
単環系複素環化合物としては、例えば、フラン、チオフェン、ピリジン、ピリミジン、オキサゾール等が挙げられる。
縮合系複素環化合物としては、例えば、チオフェン、ピリジン、フラン等のヘテロ原子を含む5員環または6員環同士、またはヘテロ原子を含む5員環または6員環と芳香族環との縮合系化合物が挙げられる。具体的にはインドール、キノリン、アクリジン、ベンゾフラン等が挙げられる。
Examples of the monocyclic heterocyclic compound include furan, thiophene, pyridine, pyrimidine, oxazole and the like.
Examples of the condensed heterocyclic compound include 5- or 6-membered rings containing heteroatoms such as thiophene, pyridine and furan, or 5- or 6-membered rings containing heteroatoms and an aromatic ring. Compounds. Specific examples include indole, quinoline, acridine, benzofuran and the like.
不飽和脂肪族化合物として、例えば、エチレン、プロピレン、ブチレン、ブテン、ペンテン等のアルケン類、プロパジエン、ブタジエン、ペンタジエン、ヘキサジエン等のアルカジエン類、およびブタトリエン、ペンタトリエン、ヘキサトリエン、ヘプタトリエン、オクタトリエン等のアルカトリエン類等が挙げられる。 Examples of unsaturated aliphatic compounds include alkenes such as ethylene, propylene, butylene, butene and pentene, alkadienes such as propadiene, butadiene, pentadiene and hexadiene, and butatriene, pentatriene, hexatriene, heptatriene and octatriene. Examples include alkatrienes.
連結型化合物は、上記した単環系芳香族化合物、縮合系芳香族化合物、単環系複素環化合物、縮合系複素環化合物および不飽和脂肪族化合物からなる群から選択された2個以上、特に2〜8個の化合物が単結合によって結合した化合物である。好ましくは単環系芳香族化合物及び/又は単環系複素環化合物が2個以上、特に2〜8個結合した化合物である。 The linking compound is at least two selected from the group consisting of the above-mentioned monocyclic aromatic compounds, condensed aromatic compounds, monocyclic heterocyclic compounds, condensed heterocyclic compounds and unsaturated aliphatic compounds, A compound in which 2 to 8 compounds are bonded by a single bond. A compound in which two or more monocyclic aromatic compounds and / or monocyclic heterocyclic compounds are bonded, particularly 2 to 8 is preferable.
単環系芳香族化合物及び/又は単環系複素環化合物が2個以上結合した化合物としては、ベンゼン及び/又はチオフェンが2個以上結合した化合物が挙げられる。ベンゼン及び/又はチオフェンは2〜10個結合して化合物を構成することが好ましい。ベンゼン及び/又はチオフェンは、収率、経済性、量産化を考慮すると、2〜8個結合していることがより好ましい。 Examples of the compound in which two or more monocyclic aromatic compounds and / or monocyclic heterocyclic compounds are bonded include compounds in which two or more benzene and / or thiophene are bonded. It is preferable that 2 to 10 benzene and / or thiophene are bonded to form a compound. It is more preferable that 2 to 8 benzene and / or thiophene are bonded in consideration of yield, economy, and mass production.
連結型化合物を構成する化合物は分岐状に結合していてもよいが、直線状に結合していることが好ましい。また、連結型化合物を構成する化合物は、少なくとも一部が同じであってもよいし、または全てが異なっていてもよい。さらに、連結型化合物は異なる化合物が規則的に又はランダムな順序で結合していてもよい。また、連結型化合物を構成する化合物の結合位置は、構成化合物分子がチオフェンの場合には、2,5−位、3,4−位、2,3−位、2,4−位等のいずれでもよいが、なかでも、2,5−位が好ましい。ベンゼンの場合には、1,4−位、1,2−位、1,3−位等のいずれでもよいが、なかでも、1,4−位が好ましい。 Although the compound which comprises a connection type compound may be couple | bonded in the branched form, it is preferable that it couple | bonds with the linear form. Further, at least a part of the compounds constituting the linking compound may be the same or all may be different. Furthermore, in the linking compound, different compounds may be bonded in a regular or random order. In addition, when the constituent compound molecule is thiophene, the bonding position of the compound constituting the linking compound is any of 2,5-position, 3,4-position, 2,3-position, 2,4-position, etc. However, the 2,5-position is preferable among them. In the case of benzene, any of 1,4-position, 1,2-position, 1,3-position and the like may be used, and among them, 1,4-position is preferable.
単環系芳香族化合物が2個以上結合した化合物の具体例として、下記一般式(i);
(式中、mは2〜30、好ましくは2〜8の整数である)で表されるフェニレン類が挙げられる。フェニレン類は、アルキル基、アリール基、ハロゲン原子などの置換基を有していてもよい。本明細書中、m=1の上記一般式(i)の化合物を包含してフェニレン系化合物と称するものとする。 (Wherein m is an integer of 2 to 30, preferably 2 to 8). The phenylenes may have a substituent such as an alkyl group, an aryl group, or a halogen atom. In the present specification, the compound of the general formula (i) where m = 1 is included and referred to as a phenylene compound.
単環系複素環化合物が2個以上結合した化合物の具体例として、下記一般式(ii);
より具体的には、単環系芳香族化合物及び/又は単環系複素環化合物が2個以上結合した化合物の具体例として、ビフェニル、ビチオフェニル、ターフェニル(式iiiの化合物)、ターチエニル(式ivの化合物)、クォーターフェニル、クォーターチオフェン、クィンケフェニル、クィンケチオフェン、ヘキシフェニル、ヘキシチオフェン、チエニル−オリゴフェニレン(式vの化合物参照)、フェニル−オリゴオリゴチエニレン(式viの化合物参照)、ブロックコオリゴマー(式vii又はviiiの化合物参照)に由来の基が挙げられる。 More specifically, as specific examples of compounds in which two or more monocyclic aromatic compounds and / or monocyclic heterocyclic compounds are bonded, biphenyl, bithiophenyl, terphenyl (compound of formula iii), tertenyl (formula iv) Compound), quarterphenyl, quarterthiophene, quinkephenyl, quinkethiophene, hexylphenyl, hexythiophene, thienyl-oligophenylene (see compound of formula v), phenyl-oligooligothienylene (see compound of formula vi), And groups derived from block co-oligomers (see compounds of formula vii or viii).
(式(v)および(vi)中、nは1〜8の整数である;式(vii)中、a+bは2〜10の整数である;式(viii)中、mは1〜8の整数である。) (In formulas (v) and (vi), n is an integer of 1 to 8; in formula (vii), a + b is an integer of 2 to 10; in formula (viii), m is an integer of 1 to 8 .)
上記π電子共役系化合物に由来する有機基b1は、任意の位置に官能基を有していてもよい。具体的な官能基としては、ヒドロキシル基、置換若しくは無置換のアミノ基、ニトロ基、シアノ基、置換若しくは無置換のアルキル基、置換若しくは無置換のアルケニル基、置換若しくは無置換のシクロアルキル基、置換若しくは無置換のアルコキシ基、置換若しくは無置換の芳香族炭化水素基、置換若しくは無置換の芳香族複素環基、置換若しくは無置換のアラルキル基、置換若しくは無置換のアリールオキシ基、置換若しくは無置換のアルコキシカルボニル基、又は、カルボキシル基、エステル基等が挙げられる。これらの官能基のなかでも、立体障害により有機薄膜の結晶化を阻害しない官能基が好ましく、したがって、上記官能基の中でも炭素数1〜30の直鎖アルキル基が特に好ましい。 The organic group b1 derived from the π-electron conjugated compound may have a functional group at an arbitrary position. Specific examples of the functional group include a hydroxyl group, a substituted or unsubstituted amino group, a nitro group, a cyano group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkenyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, Substituted or unsubstituted alkoxy group, substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, substituted or unsubstituted aromatic heterocyclic group, substituted or unsubstituted aralkyl group, substituted or unsubstituted aryloxy group, substituted or unsubstituted Examples thereof include a substituted alkoxycarbonyl group, a carboxyl group, and an ester group. Among these functional groups, a functional group that does not inhibit crystallization of the organic thin film due to steric hindrance is preferable. Therefore, among the above functional groups, a linear alkyl group having 1 to 30 carbon atoms is particularly preferable.
π電子共役を示さない2価の有機基b2は、π電子共役を示さない骨格(非π電子共役性骨格)を含有する分子に由来する基、例えば、当該分子から2個の水素原子を除いた残基であり、ハロゲン原子で置換されていてもよい。非π電子共役性骨格として、飽和脂肪族骨格材料が挙げられる。 The divalent organic group b2 that does not exhibit π-electron conjugation is a group derived from a molecule containing a skeleton that does not exhibit π-electron conjugation (non-π-electron conjugated skeleton), for example, by removing two hydrogen atoms from the molecule. And may be substituted with a halogen atom. Examples of the non-π electron conjugated skeleton include saturated aliphatic skeleton materials.
有機基b2を誘導し得る非π電子共役性骨格含有分子としては、例えば、飽和脂肪族化合物、等が挙げられる。 Examples of the non-π electron conjugated skeleton-containing molecule capable of deriving the organic group b2 include saturated aliphatic compounds.
飽和脂肪族化合物として、例えば、アルカン等が挙げられる。アルカンの好ましい具体例として、例えば、炭素数1〜30、特に1〜20の直鎖状アルカン等が挙げられる。
これらの非π電子共役性骨格含有分子が有機基b2を構成するに際して置換されてもよいハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられる。
Examples of saturated aliphatic compounds include alkanes. Preferable specific examples of alkane include linear alkanes having 1 to 30 carbon atoms, particularly 1 to 20 carbon atoms.
Examples of the halogen atom that may be substituted when these non-π electron conjugated skeleton-containing molecules constitute the organic group b2 include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom.
有機基Bは、有機薄膜の分子結晶性の観点からは、上記π電子共役性骨格含有分子および非π電子共役性骨格含有分子の中でも、単環系芳香族化合物(特にベンゼン)、単環系複素環化合物(特にチオフェン)、縮合系芳香族化合物(特にナフタレン、アセン、ピレン、ペリレン)、飽和脂肪族化合物(特に、アルカン)またはそれらの化合物が2個以上、特に2〜8個結合した化合物に由来の基であることが好ましい。 From the viewpoint of the molecular crystallinity of the organic thin film, the organic group B is a monocyclic aromatic compound (particularly benzene), monocyclic, among the π-electron conjugated skeleton-containing molecules and non-π-electron conjugated skeleton-containing molecules. Heterocyclic compounds (especially thiophene), condensed aromatic compounds (especially naphthalene, acene, pyrene, perylene), saturated aliphatic compounds (especially alkanes), or compounds in which two or more of these compounds are bonded, particularly 2-8 It is preferably a group derived from
有機基Bは、有機薄膜の導電性の観点からは、単環系芳香族化合物、縮合系芳香族化合物、単環系複素環化合物、縮合系複素環化合物、不飽和脂肪族化合物、またはそれらの化合物が2個以上、特に2〜8個結合した化合物に由来する基であることが好ましい。 From the viewpoint of the conductivity of the organic thin film, the organic group B is a monocyclic aromatic compound, a condensed aromatic compound, a monocyclic heterocyclic compound, a condensed heterocyclic compound, an unsaturated aliphatic compound, or their A group derived from a compound in which two or more, particularly 2 to 8, compounds are bonded is preferable.
有機薄膜の導電性の観点から、より好ましい有機基Bは、単環系芳香族化合物(特にベンゼン)、単環系複素環化合物(特にチオフェン)、縮合系芳香族化合物(特にナフタレン、アセン、ピレン、ペリレン)、不飽和脂肪族化合物(特にアルケン、アルカジエン、アルカトリエン)、またはそれらの化合物が2個以上、特に2〜8個結合した化合物に由来する基である。 From the viewpoint of the conductivity of the organic thin film, more preferable organic groups B are monocyclic aromatic compounds (particularly benzene), monocyclic heterocyclic compounds (particularly thiophene), condensed aromatic compounds (particularly naphthalene, acene, pyrene). Perylene), an unsaturated aliphatic compound (especially alkene, alkadiene, alkatriene), or a group derived from a compound in which two or more, particularly 2 to 8, of these compounds are bonded.
有機薄膜の導電性の観点から、最も好ましい有機基Bは、単環系芳香族化合物(特にベンゼン)、単環系複素環化合物(特にチオフェン)またはそれらの化合物が2個以上、特に2〜8個結合した化合物、または縮合系芳香族化合物(特にアセン、ピレン、ペリレン)に由来する基である。特に好ましい有機基Bは、チオフェン系化合物誘導体、フェニレン系化合物誘導体、エチレン誘導体、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体に由来する基である。 From the viewpoint of the conductivity of the organic thin film, the most preferred organic group B is a monocyclic aromatic compound (especially benzene), a monocyclic heterocyclic compound (especially thiophene), or two or more thereof, particularly 2-8. It is a group derived from a single-bonded compound or a condensed aromatic compound (especially acene, pyrene, perylene). Particularly preferred organic groups B are groups derived from thiophene compound derivatives, phenylene compound derivatives, ethylene derivatives, naphthalene derivatives, anthracene derivatives, tetracene derivatives, pyrene derivatives, and perylene derivatives.
本発明の化合物の好ましい具体例を以下に示す。
(合成方法)
前記一般式(I)で表される有機化合物(以下、有機化合物(I)ということがある)は上記のπ電子共役性骨格含有分子または非π電子共役性骨格含有分子(以下、これらの分子をまとめて「有機基B含有分子」ということがある)にシリル基を導入することによって合成可能である。シリル基の導入部位は得られる単一単分子膜または単分子累積膜が、分子が規則的に配列される分子結晶性を確保できる限り特に制限されないが、通常は分子の両末端である。特に、有機基B含有分子が直線形状を有する場合は当該分子の両末端にシリル基を導入する。また、有機基B含有分子が点対称性を有する場合は、一般構造式においてシリル基の導入部位の中間点が当該分子の中心点となるように、シリル基を導入することが好ましい。
(Synthesis method)
The organic compound represented by the general formula (I) (hereinafter sometimes referred to as the organic compound (I)) is a π-electron conjugated skeleton-containing molecule or a non-π conjugated skeleton-containing molecule (hereinafter, these molecules). Can be synthesized by introducing a silyl group into the “organic group B-containing molecule”. The introduction site of the silyl group is not particularly limited as long as the obtained single monomolecular film or monomolecular cumulative film can ensure molecular crystallinity in which molecules are regularly arranged, but is usually at both ends of the molecule. In particular, when the organic group B-containing molecule has a linear shape, silyl groups are introduced at both ends of the molecule. When the organic group B-containing molecule has point symmetry, it is preferable to introduce the silyl group so that the intermediate point of the silyl group introduction site in the general structural formula is the center point of the molecule.
有機基B含有分子のシリル化は、種々の公知の手法によって達成可能である。たとえば、(1)対応する臭素や、塩素、またはヨウ素などのハロゲン原子を有する化合物から得られるグリニヤール試薬やリチウム試薬とハロゲンやアルコキシを有する有機ケイ素化合物との反応、(2)対応する炭素−炭素多重結合を有する化合物と少なくとも一つの水素をケイ素原子上に有する有機ケイ素化合物とを塩化白金酸等の触媒存在下で加熱攪拌することによるハイドロサイレーション反応、(3)パラジウム触媒を用い、対応するビニルホウ素化合物と有機ハロゲン化ケイ素化合物をクロスカップリングさせて、置換オレフィンを合成する反応を利用できる。 Silylation of the organic group B-containing molecule can be achieved by various known techniques. For example, (1) reaction of Grignard reagent or lithium reagent obtained from a compound having a halogen atom such as corresponding bromine, chlorine, or iodine with an organosilicon compound having halogen or alkoxy, (2) corresponding carbon-carbon Hydrosilation reaction by heating and stirring a compound having multiple bonds and an organosilicon compound having at least one hydrogen on a silicon atom in the presence of a catalyst such as chloroplatinic acid, and (3) using a palladium catalyst. A reaction in which a vinylboron compound and an organic silicon halide compound are cross-coupled to synthesize a substituted olefin can be used.
より具体的には以下の方法を利用できる。
まず、第1の方法として、
(式) H−B−MgX (2)
(式中、Bは前記式(I)のBと同様であり、Xはハロゲン原子である)で示される化合物と、
(式) Y1−Si(A1)(A2)(A3) (3)
(式中、Y1はハロゲン原子であり、A1〜A3は前記式(I)においてと同じ)で示される化合物(例えば、テトラクロロシラン、テトラエトキシシラン)とを反応させて、
(式) H−B−Si(A1)(A2)(A3) (4)
を合成し、
式(4)中、Bにハロゲン原子を結合させ、エトキシエタン又はテトラヒドロフラン(THF)の存在下で、マグネシウムやリチウム金属と反応させて
(式)MgX−B−Si(A1)(A2)(A3)又はLi−B−Si(A1)(A2)(A3)(5)
で示される化合物を合成した後、
(式) Y2−Si(A4)(A5)(A6) (6)
(式中、Y2はハロゲン原子であり、A4〜A6は前記式(I)においてと同じ)で示される化合物(例えば、テトラエトキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラメトキシシラン)と反応させて、有機化合物(I)を得る方法が挙げられる。
More specifically, the following method can be used.
First, as the first method,
(Formula) H-B-MgX (2)
Wherein B is the same as B in the formula (I), and X is a halogen atom;
(Formula) Y 1 -Si (A 1) (A 2) (A 3) (3)
(Wherein Y 1 is a halogen atom, and A 1 to A 3 are the same as those in formula (I)), and a compound (for example, tetrachlorosilane, tetraethoxysilane) is reacted;
(Formula) H-B-Si (A 1) (A 2) (A 3) (4)
Synthesize
In the formula (4), a halogen atom is bonded to B, and reacted with magnesium or lithium metal in the presence of ethoxyethane or tetrahydrofuran (THF) (formula) MgX-B-Si (A 1 ) (A 2 ) (A 3) or Li-B-Si (A 1 ) (A 2) (A 3) (5)
After synthesizing the compound represented by
(Formula) Y 2 -Si (A 4) (A 5) (A 6) (6)
(Wherein Y 2 is a halogen atom, and A 4 to A 6 are the same as those in the above formula (I)), and reacted with a compound (for example, tetraethoxysilane, tetrabutoxysilane, tetramethoxysilane). And a method of obtaining the organic compound (I).
第2の方法として、
(式) X1−B−X2 (8)
(式中、Bは前記式(I)のBと同じであり、X1及びX2は、それぞれ異なって、ハロゲン原子である。)で示される化合物を、マグネシウム又はリチウムからなる金属触媒を用いてグリニヤール反応剤とした後、
(式) Y1−Si(A1)(A2)(A3) (3)
(式中、Y1はハロゲン原子、A1〜A3は前記式(I)においてと同じ)で示される化合物と反応させ、下記式で表されるグリニヤール反応剤
(式) Si(A1)(A2)(A3)−B−MgX2 (9)
を得、その後、
(式) Y2−Si(A4)(A5)(A6) (6)
(式中、Y2はハロゲン原子であり、A4〜A6は前記式(I)においてと同じ)で示される化合物と(式9)で示される化合物とを反応させて、有機化合物(I)を得る方法が挙げられる。上記第1及び2の方法中、ハロゲン原子とは、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられる。
As a second method,
(Formula) X 1 -B-X 2 ( 8)
(Wherein B is the same as B in the formula (I), X 1 and X 2 are different from each other and are a halogen atom), and a metal catalyst comprising magnesium or lithium is used. After making the Grignard reactant,
(Formula) Y 1 -Si (A 1) (A 2) (A 3) (3)
(Wherein Y 1 is a halogen atom, and A 1 to A 3 are the same as those in formula (I)), and a Grignard reactant represented by the following formula (formula) Si (A 1 ) (A 2) (A 3) -B-MgX 2 (9)
And then
(Formula) Y 2 -Si (A 4) (A 5) (A 6) (6)
(Wherein Y 2 is a halogen atom, and A 4 to A 6 are the same as those in the formula (I)) and a compound represented by the formula (9) are reacted to form an organic compound (I ). In the first and second methods, examples of the halogen atom include a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom.
上記合成時の反応温度は、例えば、−100〜150℃が好ましく、より好ましくは−20〜100℃である。反応時間は、工程毎に、例えば、0.1〜48時間程度である。反応は、通常、反応に影響のない有機溶媒中で行われる。反応に悪影響のない有機溶媒としては、例えば、ヘキサン、ペンタン、ベンゼン、トルエン等脂肪族又は芳香族炭化水素、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン(THF)等のエーテル系溶媒、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素等の塩素系炭化水素等が挙げられ、これらは単独で又は混合液として用いることができる。なかでも、ジエチルエーテルとTHFが好適である。反応は、任意に触媒を用いてもよい。触媒としては、白金触媒、パラジウム触媒、ニッケル触媒等、触媒として公知のものを用いることができる。 The reaction temperature during the synthesis is preferably, for example, −100 to 150 ° C., more preferably −20 to 100 ° C. The reaction time is, for example, about 0.1 to 48 hours for each step. The reaction is usually carried out in an organic solvent that does not affect the reaction. Examples of organic solvents that do not adversely affect the reaction include, for example, aliphatic or aromatic hydrocarbons such as hexane, pentane, benzene, and toluene, ether solvents such as diethyl ether, dipropyl ether, dioxane, and tetrahydrofuran (THF), methylene chloride, Chlorinated hydrocarbons such as chloroform and carbon tetrachloride can be used, and these can be used alone or as a mixed solution. Of these, diethyl ether and THF are preferable. The reaction may optionally use a catalyst. As the catalyst, a known catalyst such as a platinum catalyst, a palladium catalyst, or a nickel catalyst can be used.
上記第1及び2の方法において、Y1はA1〜A3より脱離反応性が高く、Y2はA4〜A6より脱離反応性が高いことが好ましい。特に、Y1及びY2はヨウ素原子であることが好ましい。 In the first and second methods, Y 1 preferably has higher elimination reactivity than A 1 to A 3 , and Y 2 preferably has higher elimination reactivity than A 4 to A 6 . In particular, Y 1 and Y 2 are preferably iodine atoms.
また以下の方法によっても、シリル基の導入は可能である。
例えば、まず、上記π電子共役性骨格または非π電子共役性骨格を含有するグリニヤール試薬を調製する。得られたグリニヤール試薬を、脱離反応性が比較的低い基(A4〜A6)を有するシリル基を含有するシラン化合物、例えば、テトラエトキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラメトキシシランと、有機溶媒中、−200〜−60℃で10〜30時間反応させることにより、有機基B含有分子の一端に当該シリル基を導入する。次いで、得られた化合物を、脱離反応性が比較的高い基(A1〜A3)を有するシリル基を含有するシラン化合物、例えば、テトラクロロシラン、テトラエトキシシランと、有機溶媒中、−200〜−60℃で10〜30時間反応させることにより、有機基B含有分子の他端に当該シリル基を導入する。いずれのシリル基を導入する場合であっても、有機溶媒はシリル化反応を阻害しないものであれば特に制限されず、例えば、ヘキサン、ペンタンなどの脂肪族炭化水素類、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン(THF)などのエーテル類、ベンゼン、トルエン、ニトロベンゼンなどの芳香族炭化水素類、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素などの塩素系炭化水素類などが挙げられる。これらは単独で又は混合液として用いることが出来る。
The silyl group can also be introduced by the following method.
For example, first, a Grignard reagent containing the above-mentioned π-electron conjugated skeleton or non-π-electron conjugated skeleton is prepared. A silane compound containing a silyl group having a group (A 4 to A 6 ) having relatively low elimination reactivity (eg, tetraethoxysilane, tetrabutoxysilane, tetramethoxysilane, and organic solvent) The silyl group is introduced into one end of the organic group B-containing molecule by reacting at −200 to −60 ° C. for 10 to 30 hours. Subsequently, the obtained compound is converted into a silane compound containing a silyl group having relatively high elimination reactivity (A 1 to A 3 ), for example, tetrachlorosilane, tetraethoxysilane, and -200 in an organic solvent. The silyl group is introduced into the other end of the organic group B-containing molecule by reacting at ~ -60 ° C for 10 to 30 hours. Even if any silyl group is introduced, the organic solvent is not particularly limited as long as it does not inhibit the silylation reaction. For example, aliphatic hydrocarbons such as hexane and pentane, diethyl ether, dipropyl ether, and the like. , Ethers such as dioxane and tetrahydrofuran (THF), aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and nitrobenzene, and chlorinated hydrocarbons such as methylene chloride, chloroform and carbon tetrachloride. These can be used alone or as a mixed solution.
グリニヤール試薬を調製することなく、有機基B含有分子にシリル基を導入してもよい。例えば、有機基B含有分子を、脱離反応性が比較的低い基(A4〜A6)を有するシリル基を含有するシラン化合物、例えば、テトラエトキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラメトキシシランと、有機溶媒中、−200〜−60℃で10〜30時間反応させることにより、有機基B含有分子の一端に当該シリル基を導入する。次いで、得られた化合物を、脱離反応性が比較的高い基(A1〜A3)を有するシリル基を含有するシラン化合物、例えば、テトラクロロシラン、テトラエトキシシランと、有機溶媒中、−200〜−60℃で10〜30時間反応させることにより、有機基B含有分子の他端に当該シリル基を導入する。有機溶媒は前記と同様のものが使用される。 A silyl group may be introduced into the organic group B-containing molecule without preparing a Grignard reagent. For example, an organic group B-containing molecule is converted into a silane compound containing a silyl group having a group with relatively low elimination reactivity (A 4 to A 6 ), for example, tetraethoxysilane, tetrabutoxysilane, tetramethoxysilane, The silyl group is introduced into one end of the organic group B-containing molecule by reacting in an organic solvent at −200 to −60 ° C. for 10 to 30 hours. Subsequently, the obtained compound is converted into a silane compound containing a silyl group having relatively high elimination reactivity (A 1 to A 3 ), for example, tetrachlorosilane, tetraethoxysilane, and -200 in an organic solvent. The silyl group is introduced into the other end of the organic group B-containing molecule by reacting at ~ -60 ° C for 10 to 30 hours. The same organic solvent as described above is used.
このような方法で合成される本発明の有機化合物は、公知の手段、例えば転溶、濃縮、溶媒抽出、分留、結晶化、再結晶、クロマトグラフィーなどにより反応溶液から単離、精製することができる。 The organic compound of the present invention synthesized by such a method can be isolated and purified from the reaction solution by known means such as phase transfer, concentration, solvent extraction, fractional distillation, crystallization, recrystallization, chromatography and the like. Can do.
次に、有機基Bの前駆体として好適な、単環系芳香族化合物及び/又は単環系複素環化合物が2個以上結合した化合物又はアセン骨格を含む化合物の合成方法の一例を記載する。 Next, an example of a method for synthesizing a compound containing two or more monocyclic aromatic compounds and / or monocyclic heterocyclic compounds or an acene skeleton suitable as a precursor of the organic group B will be described.
(1)単環系芳香族化合物及び/又は単環系複素環化合物が2個以上結合した化合物
ベンゼン又はチオフェンのみからなる化合物の合成方法の一例を以下の(A)〜(C)に示す。なお、下記チオフェンのみからなる化合物の合成例では、チオフェンの3量体から6あるいは7量体への反応のみを示した。しかし、ユニット数の異なるチオフェンと反応させれば、前記6あるいは7量体以外の化合物を形成できる。例えば、2−クロロチオフェンをカップリングした後にNCSによりクロロ化させた2−クロロビチオフェンに下記と同様の反応をさせることによって、チオフェン4あるいは5量体を形成できる。更に、チオフェン4量体をNCSによりクロロ化させれば更にチオフェン8あるいは9量体も形成することができる。
(1) Compound in which two or more monocyclic aromatic compounds and / or monocyclic heterocyclic compounds are bonded An example of a method for synthesizing a compound consisting only of benzene or thiophene is shown in the following (A) to (C). In addition, in the synthesis example of the compound which consists only of the following thiophene, only the reaction from the trimer of thiophene to 6 or 7-mer was shown. However, by reacting with thiophene having a different number of units, compounds other than the 6 or 7-mer can be formed. For example, thiophene tetramer or pentamer can be formed by coupling 2-chlorothiophene and then reacting 2-chlorobithiophene chlorinated with NCS in the same manner as described below. Furthermore, if thiophene tetramer is chlorinated with NCS, thiophene 8 or 9-mer can also be formed.
所定数のチオフェンとベンゼン由来のユニットがそれぞれ結合した単位を直接結合することにより、ブロック型の化合物を得る方法としては、例えば、グリニヤール反応を使用する方法がある。この場合の合成例としては、以下の方法が適用できる。 As a method for obtaining a block-type compound by directly bonding a unit in which a predetermined number of units derived from thiophene and benzene are bonded, there is a method using a Grignard reaction, for example. As a synthesis example in this case, the following method can be applied.
まず、単純ベンゼン又は単純チオフェン化合物の所定位置をハロゲン化(例えば、ブロモ化)した後に、n−BuLi、B(O−iPr)3を付与することによって脱ブロモ化及びホウ素化できる。このときの溶媒は、エーテルが好ましい。また、ホウ素化させる場合の反応は、2段階であり、初期は反応を安定化させるために、1段階目は−78℃で行い、2段階目は−78℃から室温に徐々に温度を上昇させることが好ましい。一方で、両端にハロゲン基(例えば、ブロモ基)を有するベンゼンあるいはチオフェンを用いてグリニヤール反応からブロック型化合物の中間体を作製しておく。 First, after a predetermined position of a simple benzene or simple thiophene compound is halogenated (for example, brominated), it can be debrominated and boronated by adding n-BuLi, B (O-iPr) 3 . The solvent at this time is preferably ether. In addition, the reaction in the case of boronation is a two-stage process. In order to stabilize the reaction, the first stage is performed at −78 ° C., and the second stage is gradually increased from −78 ° C. to room temperature. It is preferable to make it. On the other hand, an intermediate of a block type compound is prepared from a Grignard reaction using benzene or thiophene having halogen groups (for example, bromo group) at both ends.
この状態で、未反応のブロモ基と上記のホウ素化された化合物を、例えばトルエン溶媒中に展開させ、Pd(PPh3)4、Na2CO3の存在下、85℃の反応温度にて、反応を完全に進行させれば、カップリングを起こさせることが可能である。結果的に、ブロック型の化合物を合成することができる。
このような反応を用いた化合物(D)及び(E)の合成ルートの一例を以下に示す。
In this state, the unreacted bromo group and the above boronated compound are developed in, for example, a toluene solvent, and in the presence of Pd (PPh 3 ) 4 and Na 2 CO 3 at a reaction temperature of 85 ° C. If the reaction is allowed to proceed completely, coupling can occur. As a result, a block-type compound can be synthesized.
An example of a synthetic route for the compounds (D) and (E) using such a reaction is shown below.
ベンゼンあるいはチオフェンに由来するユニットとビニル基(不飽和脂肪族化合物)が交互に結合される化合物の合成方法としては、例えば以下の方法が適用できる。すなわち、ベンゼンあるいはチオフェンの反応部位にメチル基を有する原料を準備した後に、その両端を2,2’−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)及びN−ブロモスクシンイミド(N-bromosuccinimide:NBS)を用いてブロモ化させる。この後、ブロモ体にPO(OEt)3を反応させ、中間体を形成させる。つづいて、末端にアルデヒド基を有する化合物と、中間体とを、例えばDMF溶媒中でNaHを用いて反応させることによって、上記の化合物は形成できる。なお、得られた化合物は、末端にメチル基を有するため、例えばこのメチル基を更にブロモ化させ、上記合成ルートを再度適用すれば、更にユニット数の多い化合物を形成できる。
このような反応を用いて長さの異なる化合物(F)〜(H)の合成ルートの一例を以下に示す。
As a synthesis method of a compound in which a unit derived from benzene or thiophene and a vinyl group (unsaturated aliphatic compound) are alternately bonded, for example, the following method can be applied. That is, after preparing a raw material having a methyl group at the reaction site of benzene or thiophene, 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN) and N-bromosuccinimide (NBS) are used at both ends. Brominated. Thereafter, PO (OEt) 3 is reacted with the bromo compound to form an intermediate. Subsequently, the above compound can be formed by reacting a compound having an aldehyde group at the terminal with an intermediate, for example, using NaH in a DMF solvent. In addition, since the obtained compound has a methyl group at the terminal, for example, if this methyl group is further brominated and the above synthetic route is applied again, a compound having a larger number of units can be formed.
An example of a synthesis route for compounds (F) to (H) having different lengths using such a reaction is shown below.
いずれの化合物についても、所定の位置に側鎖(例えばアルキル基)を有する原料を用いることもできる。すなわち、例えば、原料として2−オクタデシルターチオフェンを用いれば、上記の合成ルートにより化合物(A)として2−オクタデシルセクシチオフェンを得ることができる。同様に、所定の位置にあらかじめ側鎖を有する原料を用いれば、上記(A)〜(H)のいずれの化合物でかつ、側鎖を有する化合物を得ることができる。 For any compound, a raw material having a side chain (for example, an alkyl group) at a predetermined position can also be used. That is, for example, if 2-octadecyl terthiophene is used as a raw material, 2-octadecyl sexual thiophene can be obtained as compound (A) by the above synthesis route. Similarly, if a raw material having a side chain in advance at a predetermined position is used, a compound having any of the compounds (A) to (H) and having a side chain can be obtained.
また、上記合成例で使用した原料は、汎用の試薬であり、試薬メーカーより入手、利用できる。以下に原料のCASナンバー、及び、試薬メーカーとして例えばキシダ化学より入手した場合の試薬の純度を示しておく。 The raw materials used in the above synthesis examples are general-purpose reagents that can be obtained and used from reagent manufacturers. The CAS number of the raw material and the purity of the reagent when obtained from Kishida Chemical as a reagent manufacturer are shown below.
(2)アセン骨格を含む化合物
アセン骨格を含む化合物の合成方法としては、例えば(1)原料化合物の所定位置の2つの炭素原子に結合する水素原子をエチニル基で置換した後に、エチニル基同士を閉環反応させ工程を繰り返す方法、(2)原料化合物の所定位置の炭素原子に結合する水素原子をトリフラート基で置換し、フラン又はその誘導体と反応させ、続いて酸化させる工程を繰り返す方法等が挙げられる。これらの方法を用いたアセン骨格の合成法の一例を以下に示す。
方法(1)
(2) Compound containing acene skeleton As a method for synthesizing a compound containing an acene skeleton, for example, (1) after substituting a hydrogen atom bonded to two carbon atoms at a predetermined position of a raw material compound with an ethynyl group, Examples include a method of repeating a ring-closing reaction and (2) a method in which a hydrogen atom bonded to a carbon atom at a predetermined position of a raw material compound is substituted with a triflate group, reacted with furan or a derivative thereof, and subsequently oxidized. It is done. An example of a method for synthesizing an acene skeleton using these methods is shown below.
Method (1)
方法(2)
また、上記方法(2)では、アセン骨格のベンゼン環を一つずつ増やす方法であるため、例えば原料化合物の所定部分に反応性の小さな官能基あるいは保護基が含まれていても同様にアセン骨格を含む化合物を合成できる。この場合の例を以下に示す。 Further, in the above method (2), since the benzene rings of the acene skeleton are increased one by one, for example, even if a predetermined part of the raw material compound contains a low-reactivity functional group or protective group, the acene skeleton is similarly applied. Can be synthesized. An example of this case is shown below.
なお、Ra、Rbは、炭化水素基やエーテル基等の反応性の小さな官能基あるいは保護基であることが好ましい。 Ra and Rb are preferably a functional group having a low reactivity such as a hydrocarbon group or an ether group, or a protective group.
また、上記方法(2)の反応式中、2つのアセトニトリル基及びトリメチルシリル基を有する出発化合物を、これら基が全てトリメチルシリル基である化合物に変更してもよい。また、上記反応式中、フラン誘導体を使用した反応後、反応物をヨウ化リチウム及びDBU(1,8−diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene)下で、還流させることで、出発化合物よりベンゼン環数が1つ多く、かつヒドロキシル基が2つ置換した化合物を得ることができる。 Further, in the reaction formula of the above method (2), the starting compound having two acetonitrile groups and a trimethylsilyl group may be changed to a compound in which these groups are all trimethylsilyl groups. In addition, after the reaction using the furan derivative in the above reaction formula, the reaction product is refluxed under lithium iodide and DBU (1,8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene) to obtain the starting compound. A compound having one more benzene ring and two substituted hydroxyl groups can be obtained.
また、上記合成例で使用した原料は、汎用の試薬であり、試薬メーカーより入手、利用できる。例えばテトラセンは東京化成より純度97%以上で入手できる。 The raw materials used in the above synthesis examples are general-purpose reagents that can be obtained and used from reagent manufacturers. For example, tetracene is available from Tokyo Kasei with a purity of 97% or more.
(有機薄膜およびその形成方法)
有機化合物(I)を用いて形成される有機薄膜は、単一単分子膜または単分子累積膜のいずれの構造を有していてもよく、単分子累積膜の場合、当該膜を構成する少なくとも1つ、特に少なくとも2つの単分子膜が有機化合物(I)から形成されていればよい。
(Organic thin film and method for forming the same)
The organic thin film formed using the organic compound (I) may have either a single monomolecular film or a monomolecular cumulative film, and in the case of a monomolecular cumulative film, at least the constituent of the film One, particularly at least two monomolecular films may be formed from the organic compound (I).
以下、好ましい有機薄膜の実施形態について説明する。
好ましい有機薄膜は、基板上に1の単分子膜を有する単一単分子膜の構造を有する場合は当該単分子膜が有機化合物(I)を用いて製膜され、基板上に第1〜第n(nは2以上の整数)の単分子膜を順次、有する単分子累積膜の構造を有する場合は少なくとも第1〜第(n−1)の単分子膜、より好ましくは全ての単分子膜が有機化合物(I)を用いて製膜される。なお、有機薄膜が単分子累積膜の構造を有する場合における単分子膜の番号は基板側から順に付するものとする。
Hereinafter, preferred embodiments of the organic thin film will be described.
A preferable organic thin film has a structure of a single monomolecular film having one monomolecular film on the substrate, and the monomolecular film is formed using the organic compound (I). In the case of having a monomolecular cumulative film structure having n (n is an integer of 2 or more) monomolecular films sequentially, at least first to (n-1) monomolecular films, more preferably all monomolecular films Is formed using the organic compound (I). In the case where the organic thin film has a monomolecular cumulative film structure, the numbers of the monomolecular films are given in order from the substrate side.
有機薄膜が単分子累積膜の構造を有する場合における第n単分子膜(最表面膜)を形成し得る有機化合物は、第(n−1)単分子膜を形成する有機化合物(I)のA4〜A6を有するシリル基と反応して化学結合を形成可能な反応性基を有する限り特に制限されるものではなく、例えば、前記と同様のA1〜A3を有するシリル基、ハロゲン原子、水酸基、カルボキシル基等の反応性基を有する有機化合物が挙げられる。好ましくは、前記有機化合物(I)が使用される。 The organic compound that can form the nth monomolecular film (outermost surface film) when the organic thin film has a monomolecular cumulative film structure is the organic compound (I) A that forms the (n-1) th monomolecular film. It is not particularly limited as long as it has a reactive group capable of reacting with a silyl group having 4 to A 6 to form a chemical bond. For example, a silyl group having the same A 1 to A 3 as described above, a halogen atom , Organic compounds having a reactive group such as a hydroxyl group or a carboxyl group. Preferably, the organic compound (I) is used.
また有機薄膜が単分子累積膜の構造を有する場合における第1〜第(n−1)単分子膜、所望により第1〜第n単分子膜を形成する有機化合物(I)は各膜ごとに独立して前記範囲内で選択されればよい。例えば、使用される有機化合物(I)は一部または全部の膜で同一であってもよいし、または全ての膜で異なっていても良い。 In addition, when the organic thin film has a monomolecular cumulative film structure, the first to (n-1) th monomolecular film, and the organic compound (I) forming the first to nth monomolecular film as required is for each film. It may be selected independently within the above range. For example, the organic compound (I) used may be the same for some or all of the films, or may be different for all of the films.
基板としては、有機薄膜の用途により適宜選択することができる。例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、GaAs、InGaAs、ZnSe等の化合物半導体等の半導体;ガラス、石英ガラス;ポリイミド、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリテトラフルオロエチレン、PEN、PES、テフロン(登録商標)等の絶縁性の高分子フィルム;ステンレス鋼(SUS);金、白金、銀、銅、アルミニウム等の金属;チタン、タンタル、タングステン等の高融点金属;高融点金属とのシリサイド、ポリサイド等;酸化シリコン(熱酸化シリコン、低温酸化シリコン:LTO等、高温酸化シリコン:HTO)、窒化シリコン、SOG、PSG、BSG、BPSG等の絶縁体;PZT、PLZT、強誘電体又は反強誘電体;SiOF系材料、SiOC系材料もしくはCF系材料又は塗布で形成するHSQ(hydrogen silsesquioxane)系材料(無機系)、MSQ(methyl silsesquioxane)系材料、PAE(polyarylene ether)系材料、BCB系材料、ポーラス系材料もしくはCF系材料又は多孔質材料等の低誘電体等の材料からなる基板が挙げられる。更に、いわゆるSOI基板、多層SOI基板、SOS基板等も使用できる。これら基板は単独でも、複数積層されていてもよい。例えば基板は半導体デバイスの電極として使用される無機物質からなっていてもよく、さらにその表面に有機物質からなる膜が形成されていてもよい。本発明において基板表面には水酸基やカルボキシル基等の親水基、特に水酸基を有することが好ましく、有しない場合には、基板に親水化処理を施すことによって、親水基を基板表面に付与すればよい。基板の親水化処理は、過酸化水素水−硫酸混合溶液への浸漬、紫外光の照射等により行うことができる。 The substrate can be appropriately selected depending on the use of the organic thin film. For example, elemental semiconductors such as silicon and germanium, semiconductors such as compound semiconductors such as GaAs, InGaAs, and ZnSe; glass, quartz glass; polyimide, polyethylene, polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene, PEN, PES, and Teflon (registered) Insulating polymer film such as trademark); stainless steel (SUS); metal such as gold, platinum, silver, copper and aluminum; refractory metal such as titanium, tantalum and tungsten; silicide with refractory metal, polycide, etc. Insulators such as silicon oxide (thermal silicon oxide, low temperature silicon oxide: LTO, high temperature silicon oxide: HTO), silicon nitride, SOG, PSG, BSG, BPSG; PZT, PLZT, ferroelectric or antiferroelectric; SiOF material, SiOC material or CF material Is an HSQ (hydrogen silsesquioxane) material (inorganic), MSQ (methyl silsesquioxane) material, PAE (polyarylene ether) material, BCB material, porous material or CF material or porous material formed by coating Examples thereof include a substrate made of a material such as a low dielectric material. Furthermore, so-called SOI substrates, multilayer SOI substrates, SOS substrates, and the like can also be used. These substrates may be used alone or in a plurality of layers. For example, the substrate may be made of an inorganic substance used as an electrode of a semiconductor device, and a film made of an organic substance may be formed on the surface thereof. In the present invention, it is preferable that the substrate surface has a hydrophilic group such as a hydroxyl group or a carboxyl group, particularly a hydroxyl group, and if it does not, a hydrophilic group may be imparted to the substrate surface by subjecting the substrate to a hydrophilic treatment. . The hydrophilic treatment of the substrate can be performed by immersion in a hydrogen peroxide solution-sulfuric acid mixed solution, irradiation with ultraviolet light, or the like.
有機薄膜が単一単分子膜または単分子累積膜のいずれの構造を有する場合も、有機化合物(I)を用いて製膜された単分子膜において、当該有機化合物分子は、A1〜A3を有するシリル基(以下、高反応性シリル基ということがある)が基板側に配向し、A4〜A6を有するシリル基(以下、低反応性シリル基ということがある)が膜表面側に配向するように、配列する。 Even when the organic thin film has a structure of a single monomolecular film or a monomolecular cumulative film, in the monomolecular film formed using the organic compound (I), the organic compound molecules are A 1 to A 3. A silyl group having an A 4 (hereinafter sometimes referred to as a highly reactive silyl group) is oriented toward the substrate side, and a silyl group having an A 4 to A 6 (hereinafter sometimes referred to as a low reactive silyl group) is on the film surface side. Are aligned so as to be oriented.
そのため、例えば、単一単分子膜の構造を有する場合において、単分子膜−基板界面では、高反応性シリル基と基板表面の親水基との反応によって化学結合(特にシラノール結合)が形成され、低反応性シリル基が膜表面側に存在する。その結果として、当該単分子膜は高反応性シリル基によって基板と結合(吸着)する。 Therefore, for example, in the case of having a structure of a single monomolecular film, a chemical bond (particularly a silanol bond) is formed at the monomolecular film-substrate interface by a reaction between a highly reactive silyl group and a hydrophilic group on the substrate surface, A low-reactive silyl group is present on the film surface side. As a result, the monomolecular film is bonded (adsorbed) to the substrate by the highly reactive silyl group.
また例えば、基板上に第1〜第2の単分子膜を順次、有する単分子累積膜構造を有する場合において、第1単分子膜−基板界面では、第1単分子膜の高反応性シリル基と基板表面の親水基との反応によって化学結合(特にシラノール結合(−Si−O−))が形成される。また第1単分子膜−第2単分子膜界面では、第1単分子膜の低反応性シリル基と第2単分子膜の反応性基(例えばシリル基)との反応によって化学結合(例えばシロキサン結合(−Si−O−Si−))が形成される。その結果として、第1単分子膜は高反応性シリル基によって基板と結合(吸着)し、低反応性シリル基によって第2単分子膜と結合(吸着)する。 Further, for example, in the case where the substrate has a monomolecular cumulative film structure having the first and second monomolecular films sequentially, the highly reactive silyl group of the first monomolecular film is present at the first monomolecular film-substrate interface. A chemical bond (particularly silanol bond (—Si—O—)) is formed by a reaction between the substrate and the hydrophilic group on the substrate surface. Further, at the interface between the first monomolecular film and the second monomolecular film, a chemical bond (for example, siloxane) is generated by a reaction between the low-reactivity silyl group of the first monomolecular film and the reactive group (for example, silyl group) of the second monomolecular film. A bond (-Si-O-Si-)) is formed. As a result, the first monomolecular film is bonded (adsorbed) to the substrate by a highly reactive silyl group, and is bonded (adsorbed) to the second monomolecular film by a low reactive silyl group.
また例えば、基板上に第1〜第n(nは3以上の整数)の単分子膜を順次、有する単分子累積膜構造を有する場合において、第1単分子膜−基板界面では、第1単分子膜の高反応性シリル基と基板表面の親水基との反応によって化学結合(特にシラノール結合(−Si−O−))が形成される。また第k単分子膜(kは2以上(n−1)以下の整数)−第(k−1)単分子膜界面では、第k単分子膜の高反応性シリル基と第(k−1)単分子膜の低反応性シリル基との反応によって化学結合(特にシロキサン結合)が形成される。またkが2以上(n−2)以下の整数の場合の第k単分子膜−第(k+1)単分子膜界面では、第k単分子膜の低反応性シリル基と第(k+1)単分子膜の高反応性シリル基との反応によって化学結合(特にシロキサン結合)が形成される。またkが(n−1)の場合の第k単分子膜−第(k+1)単分子膜(最表面膜)界面では、第k単分子膜の低反応性シリル基と第(k+1)単分子膜の反応性基(例えばシリル基)との反応によって化学結合(例えばシロキサン結合)が形成される。その結果として、第k単分子膜は高反応性シリル基によって第(k−1)の単分子膜と結合し、低反応性シリル基によって第(k+1)単分子膜と結合する。すなわち、第2〜第(n−1)の単分子膜は高反応性シリル基によって直下の単分子膜と結合(吸着)し、低反応性シリル基によって直上の単分子膜と結合(吸着)する。 Further, for example, in the case where the substrate has a monomolecular cumulative film structure having first to nth (n is an integer of 3 or more) monomolecular films sequentially, the first monomolecular film-substrate interface has the first monomolecular film structure. A chemical bond (particularly silanol bond (—Si—O—)) is formed by the reaction between the highly reactive silyl group of the molecular film and the hydrophilic group of the substrate surface. The k-th monomolecular film (k is an integer of 2 or more and (n-1) or less)-(k-1) monomolecular film interface and the highly reactive silyl group of the k-th monomolecular film and the (k-1) ) A chemical bond (particularly a siloxane bond) is formed by reaction with the low-reactivity silyl group of the monomolecular film. Further, at the k-th monomolecular film- (k + 1) monomolecular film interface when k is an integer of 2 or more and (n-2) or less, the low-reactive silyl group and the (k + 1) -th monomolecule of the k-th monomolecular film are used. Chemical bonds (particularly siloxane bonds) are formed by reaction with the highly reactive silyl groups of the film. At the k-th monomolecular film- (k + 1) monomolecular film (outermost surface film) interface when k is (n-1), the low-reactive silyl group of the k-th monomolecular film and the (k + 1) -th monomolecule Chemical bonds (eg siloxane bonds) are formed by reaction with reactive groups (eg silyl groups) on the membrane. As a result, the kth monomolecular film is bonded to the (k−1) th monomolecular film by the highly reactive silyl group, and is bonded to the (k + 1) th monomolecular film by the low reactive silyl group. That is, the second to (n-1) monomolecular films are bonded (adsorbed) to the monomolecular film immediately below by the highly reactive silyl group, and bonded (adsorbed) to the monomolecular film immediately above by the low reactive silyl group. To do.
特に、有機薄膜が単分子累積膜の構造を有し、全ての単分子膜が有機化合物(I)から形成されている場合、最下層の単分子膜は基板と化学結合、特にシラノール結合を介して形成され、他の単分子膜は直下の単分子膜と逐次的に化学結合、特にシロキサン結合を介して形成されている。 In particular, when the organic thin film has a monomolecular cumulative film structure and all the monomolecular films are formed of the organic compound (I), the lowermost monomolecular film is bonded to the substrate through a chemical bond, particularly a silanol bond. The other monomolecular films are sequentially formed through chemical bonds, particularly siloxane bonds, with the monomolecular film immediately below.
有機化合物(I)を用いて製膜された単分子膜における前記のような有機化合物(I)分子の配列は、有機化合物(I)が両末端に有する2つのシリル基の脱離反応性を制御することにより達成される。その結果として膜厚が均一で、かつ分子が秩序性をもって配列する分子結晶性を有する単一単分子膜およびその累積膜を再現性良く製造可能となる。すなわち、シリル化有機化合物がシラノール結合やシロキサン結合を介して結合するためには、シリル基に結合する官能基が脱離して水酸基あるいはプロトンに置換される必要がある。本発明においては、2つのシリル基が有する脱離反応性の差を利用して、選択的に一方のシリル基における脱離反応性の比較的高い基(A1〜A3)を水酸基あるいはプロトンに置換させ、基板表面あるいは直下の単分子膜表面の水酸基(あるいはカルボキシル基)と反応させる。その結果、A1〜A3基を有するシリル基が基板側に配向して、シラノール結合やシロキサン結合が形成される。他方のシリル基は脱離反応性が比較的低い基(A4〜A6)しか有さず、そのような基は水酸基あるいはプロトンに置換されないため、基板や直下の単分子膜と反応することなく、膜表面側に配向する。なお、そのようなA4〜A6基を有するシリル基は、直上の単分子膜の形成時に活性化され、反応サイトとして利用される。その結果、各単分子膜において化合物分子が同一方向に配列されるため、膜厚が均一で、かつ分子結晶性を有する単一単分子膜およびそれらの累積膜を形成できる。両端のシリル基がいずれも脱離反応性の比較的高い基を有すると、各単分子膜において部分的に厚み方向で2分子化、3分子化するため、得られる薄膜の厚みは不均一になり、所望の分子結晶性を達成できない。 In the monomolecular film formed using the organic compound (I), the arrangement of the organic compound (I) molecules as described above indicates the elimination reactivity of the two silyl groups possessed by the organic compound (I) at both ends. This is achieved by controlling. As a result, a single monomolecular film having a uniform film thickness and molecular crystallinity in which molecules are arranged in an orderly manner and its accumulated film can be manufactured with good reproducibility. That is, in order for the silylated organic compound to be bonded via a silanol bond or a siloxane bond, the functional group bonded to the silyl group needs to be eliminated and replaced with a hydroxyl group or a proton. In the present invention, by utilizing the difference in elimination reactivity of two silyl groups, a group having relatively high elimination reactivity (A 1 to A 3 ) in one silyl group is selectively replaced with a hydroxyl group or proton. And is reacted with a hydroxyl group (or carboxyl group) on the surface of the substrate or the monomolecular film immediately below. As a result, the silyl group having A 1 to A 3 groups is oriented to the substrate side, and a silanol bond or a siloxane bond is formed. The other silyl group has only a group (A 4 to A 6 ) having relatively low elimination reactivity, and such a group is not substituted with a hydroxyl group or a proton, so that it reacts with a substrate or a monomolecular film immediately below. Not oriented to the film surface side. Incidentally, a silyl group having such A 4 to A 6 group is activated during the formation of the monomolecular film immediately above, it is used as a reaction site. As a result, since compound molecules are arranged in the same direction in each monomolecular film, single monomolecular films having a uniform film thickness and molecular crystallinity and their accumulated films can be formed. If each of the silyl groups at both ends has a group having a relatively high elimination reactivity, each monomolecular film is partially bi- and tri-molecularly formed in the thickness direction. Therefore, the desired molecular crystallinity cannot be achieved.
有機薄膜が単一単分子膜の場合、その膜厚は、有機基Bの種類によって適宜調整することができるが、例えば、1nm〜12nm程度、更に、経済性、量産化を考慮すると、1nm〜3.5nm程度が好ましい。単分子膜の累積膜の場合の膜厚は、単分子膜の膜厚をc、累積数をd層とした場合、膜厚はほぼc×dとなる。単分子膜ごとに異なる機能を有する薄膜を作製する場合には、その機能に応じて単分子膜の分子構造及び膜厚を異ならせる場合もあり、その場合の単分子累積膜の膜厚は必要に応じて適宜調整することができる。 When the organic thin film is a single monomolecular film, the film thickness can be appropriately adjusted depending on the type of the organic group B. For example, about 1 nm to 12 nm, and further considering economy and mass production, 1 nm to About 3.5 nm is preferable. The film thickness in the case of the monomolecular film is approximately c × d when the film thickness of the monomolecular film is c and the cumulative number is d layers. When preparing thin films with different functions for each monomolecular film, the molecular structure and film thickness of the monomolecular film may vary depending on the function. It can be appropriately adjusted according to the above.
このような単一単分子膜又は累積単分子膜は有機化合物(I)が容易に自己組織化され、一定の方向にユニット(分子)を配向させた薄膜とすることができる。つまり、隣り合うユニット間距離を最小限にして、高度に結晶化された有機薄膜を得ることができ、その結果、基板表面に対して垂直方向に導電性を示す有機薄膜を得ることができる。 Such a single monomolecular film or a cumulative monomolecular film can be a thin film in which the organic compound (I) is easily self-assembled and units (molecules) are oriented in a certain direction. That is, a highly crystallized organic thin film can be obtained by minimizing the distance between adjacent units, and as a result, an organic thin film exhibiting conductivity in a direction perpendicular to the substrate surface can be obtained.
また、隣り合う有機化合物(I)分子におけるSiがそのまま、又は酸素原子を介して架橋されるので、例えば、Si−O−Siネットワークが形成されて、隣り合うユニット間距離が小さく、かつより高度に結晶化される。特に、ユニットが、直鎖に配置されている場合には、隣り合うユニット同士は結合せずに、隣り合うユニット間距離を最小限にして、高度に結晶化された材料を得ることができる。このようなユニットの配向により、基板の表面方向に半導体特性を示す有機薄膜を得ることができる。 In addition, since Si in the adjacent organic compound (I) molecule is crosslinked as it is or through an oxygen atom, for example, a Si—O—Si network is formed, and the distance between adjacent units is small and more advanced. Is crystallized. In particular, when the units are arranged in a straight chain, the adjacent units are not coupled to each other, and the distance between the adjacent units can be minimized to obtain a highly crystallized material. By such unit orientation, an organic thin film exhibiting semiconductor characteristics in the surface direction of the substrate can be obtained.
このように、基板表面に対して、垂直方向と表面方向で、電気特性が異なる電気的異方性を有する薄膜を得ることができる。 As described above, a thin film having electrical anisotropy having different electrical characteristics in the vertical direction and the surface direction with respect to the substrate surface can be obtained.
有機化合物(I)を用いた有機薄膜の形成方法を図面を用いて簡単に説明する。
有機薄膜の形成に際しては、まず、有機化合物(I)を用いて、LB法、ディッピング法、コート法等の方法により、当該化合物におけるA1〜A3を有するシリル基と基板表面とを反応させ1の単分子膜を形成する。有機化合物(I)は、含有される基(A1〜A3とA4〜A6)の脱離反応性が異なる2つのシリル基を両端に有するため、脱離反応性の比較的高い基(A1〜A3)を有するシリル基が選択的に基板表面と結合する。例えば、図1は、前記一般式(a1)の化合物を用いた場合の単一単分子膜の概念図であり、脱離反応性の比較的高い塩素原子が水酸基に置換され、当該基を有するシリル基が選択的に基板表面と結合している。図1において、膜表面(空気界面)側の末端シリル基に結合している官能基は容易には脱離しないので、他の分子や基板との吸着反応が生じることはない。
A method for forming an organic thin film using the organic compound (I) will be briefly described with reference to the drawings.
In forming the organic thin film, first, using the organic compound (I), the silyl group having A 1 to A 3 in the compound is reacted with the substrate surface by a method such as LB method, dipping method, coating method or the like. 1 monomolecular film is formed. The organic compound (I) has two silyl groups having different elimination reactivity of contained groups (A 1 to A 3 and A 4 to A 6 ) at both ends. A silyl group having (A 1 to A 3 ) selectively binds to the substrate surface. For example, FIG. 1 is a conceptual diagram of a single monomolecular film when the compound of the general formula (a1) is used, in which a chlorine atom having a relatively high elimination reactivity is substituted with a hydroxyl group and has the group Silyl groups are selectively bonded to the substrate surface. In FIG. 1, the functional group bonded to the terminal silyl group on the film surface (air interface) side is not easily desorbed, so that no adsorption reaction with other molecules or the substrate occurs.
本発明においては、脱離反応性の比較的高い基(A1〜A3)を有するシリル基を選択的に基板と結合させるために、当該脱離反応性の高い基を選択的に水酸基あるいはプロトンに置換させる。そのためには、反応条件による各基(A1〜A6)の反応性の違いを利用して、膜形成時の溶媒雰囲気および反応温度等をかえればよい。例えば、溶媒が水の場合にはpHを変えることで、また溶媒が有機溶媒の場合では水酸化溶媒を用いることで、溶媒におけるプロトン濃度を調節し、反応性を制御できる。
例えば、A1〜A3がハロゲン原子であって、A4〜A6がアルコキシ基である有機化合物を用いて後述のLB法で単分子膜を形成する場合には、水のpHを7に調整することによって、A1〜A3のみを水酸基に置換できる。当該有機化合物を用いて後述のディッピング法で単分子膜を形成する場合には、当該有機化合物が溶解される有機溶媒に微量で含有される水の存在によってA1〜A3は容易に水酸基に置換されるため、必ずしもpH等を調整する必要はない。
また例えば、A1〜A3がエトキシ基であって、A4〜A6がブトキシ基である有機化合物を用いて後述のLB法で単分子膜を形成する場合には、水のpHを4に調整することによって、A1〜A3のみを水酸基に置換できる。
In the present invention, in order to selectively bond a silyl group having a relatively high elimination reactivity group (A 1 to A 3 ) to the substrate, the high elimination reactivity group is selectively hydroxyl group or Replace with proton. To do so, by utilizing a difference in reactivity of each
For example, when a monomolecular film is formed by an LB method described later using an organic compound in which A 1 to A 3 are halogen atoms and A 4 to A 6 are alkoxy groups, the pH of water is set to 7. By adjusting, only A 1 to A 3 can be substituted with hydroxyl groups. When a monomolecular film is formed by the dipping method described later using the organic compound, A 1 to A 3 can easily be converted into a hydroxyl group due to the presence of a small amount of water in the organic solvent in which the organic compound is dissolved. Since it is substituted, it is not always necessary to adjust pH and the like.
For example, when a monomolecular film is formed by an LB method described later using an organic compound in which A 1 to A 3 are ethoxy groups and A 4 to A 6 are butoxy groups, the pH of water is 4 By adjusting to 1, only A 1 to A 3 can be substituted with hydroxyl groups.
LB法(Langmuir Blodget法)では、有機化合物(I)を有機溶剤に溶解し、得られた溶液をpHが調整された水面上に滴下し、水面上に薄膜を形成する。このとき、有機化合物の一端のシリル基における脱離反応性の比較的高い基(A1〜A3)が加水分解によって水酸基に変換される。次いで、その状態で水面上に圧力を加え、親水基(特に水酸基)を表面に有する基板を引き上げることによって、有機化合物における脱離反応性の比較的高い基(A1〜A3)を有するシリル基を基板と結合させ、図1に示すような単一単分子膜が得られる。 In the LB method (Langmuir Blodget method), the organic compound (I) is dissolved in an organic solvent, and the obtained solution is dropped on the water surface whose pH is adjusted to form a thin film on the water surface. At this time, the group (A 1 to A 3 ) having relatively high elimination reactivity in the silyl group at one end of the organic compound is converted into a hydroxyl group by hydrolysis. Next, silyl having a group (A 1 to A 3 ) having a relatively high elimination reactivity in an organic compound by applying pressure on the water surface in this state and pulling up a substrate having a hydrophilic group (particularly a hydroxyl group) on the surface. The group is bonded to the substrate to obtain a single monomolecular film as shown in FIG.
またディッピング法、コート法では、まず、有機化合物(I)を有機溶剤に溶解する。例えば、有機化合物(I)をヘキサン、クロロホルム、四塩化炭素等の非水系有機溶剤に溶解し、1mM〜100mM程度の濃度の溶液を得る。得られた溶液中に、親水基(特に水酸基)を表面に有する基板を浸漬して、引き上げる。あるいは、得られた溶液を基体表面にコートする。このとき、有機溶剤中の微量の水によって、有機化合物の一端のシリル基における脱離反応性の比較的高い基(A1〜A3)が加水分解され、水酸基に変換される。次いで、所定時間、保持することによって、有機化合物における脱離反応性の比較的高い基(A1〜A3)を有するシリル基を基板と結合させ、図1に示すような単一単分子膜が得られる。 In the dipping method and the coating method, first, the organic compound (I) is dissolved in an organic solvent. For example, the organic compound (I) is dissolved in a non-aqueous organic solvent such as hexane, chloroform or carbon tetrachloride to obtain a solution having a concentration of about 1 mM to 100 mM. A substrate having a hydrophilic group (especially a hydroxyl group) on the surface is immersed in the obtained solution and pulled up. Alternatively, the resulting solution is coated on the substrate surface. At this time, the group (A 1 to A 3 ) having relatively high elimination reactivity in the silyl group at one end of the organic compound is hydrolyzed and converted into a hydroxyl group by a small amount of water in the organic solvent. Next, by holding for a predetermined time, a silyl group having a group (A 1 to A 3 ) having relatively high elimination reactivity in an organic compound is bonded to the substrate, and a single monomolecular film as shown in FIG. Is obtained.
単一単分子膜を形成した後は、通常、非水系溶媒を用いて単分子膜から未反応の有機化合物を洗浄除去する。除去した後は、水洗し、放置するか加熱することにより乾燥して、有機薄膜を定着させる。この薄膜は、そのまま有機薄膜として用いてもよいし、更に電解重合等の処理を施して用いてもよい。 After the single monomolecular film is formed, the unreacted organic compound is usually washed away from the monomolecular film using a non-aqueous solvent. After removal, the organic thin film is fixed by washing with water and leaving it to dry by heating. This thin film may be used as an organic thin film as it is, or may be further subjected to treatment such as electrolytic polymerization.
単分子累積膜を形成する場合は、先に形成された単一単分子膜の膜表面側に存在する未反応のシリル基を吸着反応のサイトとして、有機化合物(I)からなる単分子膜を累積させる。ここで使用される有機化合物は有機化合物(I)の中でも既に形成されている単分子膜に用いたものと同一であってもよいし、異なるものであってもよいし、または前記「第n単分子膜(最表面膜)を形成し得る有機化合物」であってもよい。単分子膜を新たに累積させるに先立って、通常は、既に形成されている単分子膜の膜表面側に存在する未反応のシリル基が有するA4〜A6基(図1中、エトキシ基)を、前述のように溶媒雰囲気および反応温度等を調整すること(活性化)により、水酸基に置換させる。例えば、先に形成された単分子膜の表面を所定のpHに調整された水と接触させればよい。具体的には、先に形成された単分子膜を、所定pHの水に浸漬するか、または単分子膜表面に所定pHの水を滴下すればよい。これによって、未反応のシリル基を吸着反応のサイトとして、より有効に単分子膜を累積可能となる。 When forming a monomolecular cumulative film, an unreacted silyl group present on the film surface side of the previously formed single monomolecular film is used as an adsorption reaction site, and a monomolecular film made of the organic compound (I) is used. Accumulate. The organic compound used here may be the same as or different from that used in the monomolecular film already formed in the organic compound (I), or the “n-th”. It may be an “organic compound capable of forming a monomolecular film (outermost surface film)”. Prior to newly accumulating the monomolecular film, usually, A 4 to A 6 groups (in FIG. 1, an ethoxy group) of the unreacted silyl group existing on the film surface side of the already formed monomolecular film. ) Is substituted with a hydroxyl group by adjusting (activation) the solvent atmosphere and reaction temperature as described above. For example, the surface of the previously formed monomolecular film may be brought into contact with water adjusted to a predetermined pH. Specifically, the previously formed monomolecular film may be immersed in water having a predetermined pH, or water having a predetermined pH may be dropped on the surface of the monomolecular film. This makes it possible to accumulate the monomolecular film more effectively using the unreacted silyl group as an adsorption reaction site.
累積される単分子膜は前記LB法、ディッピング法、コート法と同様の方法に準じて形成される。特に、LB法を採用する場合、既に形成されている単分子膜表面のA4〜A6基(図1中、エトキシ基)は、使用される水を所定のpHに調整することによって、水酸基に置換可能である。なお、置換前のA4〜A6基がそれ自体、新たに形成される単分子膜の有機化合物に対してある程度の反応性を有する場合、必ずしも水酸基に置換されなければならないというわけではない。図2は、図1において膜表面側に存在する未反応のシリル基が有するエトキシ基を水酸基に置換したときの概念図を示す。 The accumulated monomolecular film is formed according to the same method as the LB method, dipping method, and coating method. In particular, when employing an LB method, (in FIG. 1, an ethoxy group) already A 4 to A 6 groups of the monomolecular film surface formed by adjusting the water to be used for a given pH, a hydroxyl group Can be substituted. In addition, when the A 4 to A 6 group before substitution itself has a certain degree of reactivity with a newly formed monomolecular organic compound, it does not necessarily have to be substituted with a hydroxyl group. FIG. 2 shows a conceptual diagram when an ethoxy group of an unreacted silyl group existing on the film surface side in FIG. 1 is substituted with a hydroxyl group.
図3は、2つの単分子膜からなる2層累積膜の例である。図3では、図2の単分子膜上に、当該膜を構成する有機化合物と同一のものを用いて単分子膜が累積されているが、累積される単分子膜は直下の膜で用いた有機化合物と異なるものからなっていてもよい。 FIG. 3 is an example of a two-layer cumulative film composed of two monomolecular films. In FIG. 3, the monomolecular film is accumulated on the monomolecular film of FIG. 2 using the same organic compound as that constituting the film, but the accumulated monomolecular film is used in the film immediately below. It may be made of a different material from the organic compound.
累積させた単分子膜が有機化合物(I)からなっている場合は、以上のプロセスを繰り返すことによって、基板上に同一もしくは異なる有機化合物(I)の単分子膜を逐次的かつ均一に調製することができる。いずれの単分子膜においても、有機化合物(I)は脱離反応性の比較的高い基(A1〜A3)を有するシリル基が選択的に基板またはその直下の単分子膜の表面と化学結合するので、得られる薄膜は膜厚が均一で、かつ優れた分子結晶性を有する。本発明においては単分子膜が2〜20層、特に2〜10層積層されてなる累積膜を形成した場合であっても、本発明の効果を得ることができる。そのときの合計膜厚は使用される化合物分子の長さに依存するため一概に規定できるものではないが、通常4〜300nm、特に4〜100nmが適当である。 When the accumulated monomolecular film is made of the organic compound (I), the above process is repeated to sequentially and uniformly prepare monomolecular films of the same or different organic compound (I) on the substrate. be able to. In any monomolecular film, the organic compound (I) has a silyl group having a group (A 1 to A 3 ) having a relatively high elimination reactivity and the surface of the monomolecular film or the surface of the monomolecular film directly below the substrate. Since they are bonded, the resulting thin film has a uniform film thickness and excellent molecular crystallinity. In the present invention, the effect of the present invention can be obtained even when a cumulative film is formed by laminating 2 to 20 monomolecular films, particularly 2 to 10 layers. The total film thickness at that time depends on the length of the compound molecule to be used and thus cannot be defined unconditionally, but is usually 4 to 300 nm, particularly 4 to 100 nm.
以上のような有機薄膜において、該薄膜を構成する全ての単分子膜のうち、有機化合物(I)からなる単分子膜は、ファンデルワールス、静電的、π−πスタッキング相互作用のような非共有結合により凝集する自己組織化膜である。分子の自己組織化する性質を利用して高配向の膜を簡単に調整することができる。 In the organic thin film as described above, among all the monomolecular films constituting the thin film, the monomolecular film made of the organic compound (I) is a van der Waals, electrostatic, or π-π stacking interaction. It is a self-assembled film that aggregates by non-covalent bonds. A highly oriented film can be easily adjusted by utilizing the self-organizing property of molecules.
(用途)
本発明の有機化合物(I)は、膜厚の均一性および/または優れた分子結晶性(配列性)を活かすことのできる用途、例えば、有機デバイスや光学素子、被膜剤に有用である。特に、有機化合物(I)の有機基Bをπ電子共役を示すものに選択することによって、有機薄膜トランジスタ、有機光電変換素子、および有機エレクトロルミネッセンス素子等の有機デバイスにおける有機層(薄膜)構成物質として有用である。
(Use)
The organic compound (I) of the present invention is useful for applications that can make use of film thickness uniformity and / or excellent molecular crystallinity (alignment), such as organic devices, optical elements, and coating agents. In particular, as an organic layer (thin film) constituent material in organic devices such as organic thin film transistors, organic photoelectric conversion elements, and organic electroluminescence elements, by selecting the organic group B of the organic compound (I) to be one that exhibits π electron conjugation Useful.
例えば、本発明の有機化合物(I)を用いた有機薄膜は、有機基Bの種類(特にヘテロ原子の有無)や官能基の種類(電子吸引型又は電子供与型の基)を選択することで、例えばTFT等の有機薄膜トランジスタ、発光素子、太陽電池、燃料電池、センサ等を構成する導電性材料、光伝導性材料(フォトコンダクタ)、非線形光学材料等を構成する薄膜として使用することができる。また、末端に官能基を保持させることにより、リガンドとして酵素等を結合させることができるため、バイオセンサとしても使用することができる。以下に、本発明の有機薄膜のより具体的な適用例を記載する。
・TFTの半導体層(ソースドレイン間の領域)
・有機EL素子や有機リン光発光素子の電極間の膜(発光層、電子注入層、正孔注入層等)
・有機半導体レーザ(例えば、ダイオードのような電流注入型レーザ)の電極間の膜(それぞれの電極から注入されたホール及び電子を有機薄膜上で再結合させることで発光させ、得られた光を一定方向から取り出すことができる)
・太陽電池のp型及びn型材料(有機薄膜が、光励起特性を有するため、p型及びn型材料をそれぞれ薄膜とし重ねれば、p−nジャンクションを形成できるので、太陽電池を形成できる)
・燃料電池のセパレーター
・ガスセンサの気体分子又はにおいセンサのにおい成分の吸着膜(くし型電極上に有機薄膜を設置すれば、気体分子の吸着による有機薄膜の導電性の変化により気体分子の濃度を評価するガスセンサを形成できる)
・イオンセンサのイオン感応膜
・バイオセンサ(例えば、免疫センサ)の感応膜(有機薄膜の酵素の選択性を利用する)
For example, the organic thin film using the organic compound (I) of the present invention can be selected by selecting the type of the organic group B (particularly the presence or absence of heteroatoms) and the type of functional group (electron withdrawing type or electron donating type group). For example, it can be used as a thin film constituting a conductive material, a photoconductive material (photoconductor), a nonlinear optical material, or the like constituting an organic thin film transistor such as a TFT, a light emitting element, a solar cell, a fuel cell, or a sensor. In addition, since an enzyme or the like can be bound as a ligand by holding a functional group at the terminal, it can also be used as a biosensor. Below, the more specific application example of the organic thin film of this invention is described.
・ TFT semiconductor layer (region between source and drain)
-Films between electrodes of organic EL devices and organic phosphorescent light emitting devices (light emitting layer, electron injection layer, hole injection layer, etc.)
-A film between electrodes of an organic semiconductor laser (for example, a current injection laser such as a diode) (holes and electrons injected from each electrode are recombined on the organic thin film to emit light, and the resulting light is emitted. (It can be taken out from a certain direction)
-P-type and n-type materials for solar cells (Since organic thin films have photoexcitation properties, p-n junctions can be formed by stacking p-type and n-type materials as thin films, so solar cells can be formed.)
・ Separator of fuel cell ・ Adsorption film of gas molecule of gas sensor or smell component of odor sensor A gas sensor to be evaluated can be formed)
・ Ion sensitive membranes of ion sensors ・ Sensitive membranes of biosensors (for example, immunosensors) (utilizing enzyme selectivity in organic thin films)
(有機デバイス)
本発明の有機デバイスは有機化合物(I)を用いて形成された有機薄膜を有する限り、いかなる種類のデバイスであってよく、例えば、有機薄膜トランジスタ、有機光電変換素子、および有機EL素子等の有機半導体デバイスが挙げられる。そのような有機半導体デバイスは、膜厚均一性および分子結晶性に優れた有機薄膜を有するので、ドメイン間などにキャリアのトラップの少ないデバイスを作製することができる。
(Organic device)
The organic device of the present invention may be any type of device as long as it has an organic thin film formed using the organic compound (I). For example, organic semiconductors such as organic thin film transistors, organic photoelectric conversion elements, and organic EL elements Device. Since such an organic semiconductor device has an organic thin film excellent in film thickness uniformity and molecular crystallinity, a device with few carrier traps between domains can be manufactured.
(有機薄膜トランジスタ)
有機薄膜トランジスタは、少なくとも、基板、該基板上に形成されるゲート電極、該ゲート電極上に形成されるゲート絶縁膜、および該ゲート絶縁膜と接触して、または非接触で具備されるソース電極、ドレイン電極および半導体層を有してなる。
本発明においてトランジスタは、ソース電極、ドレイン電極および半導体層の配置によって、ボトムコンタクト型、トップアンドボトムコンタクト型、トップコンタクト型等の種々の構成を有していてもよい。
(Organic thin film transistor)
The organic thin film transistor includes at least a substrate, a gate electrode formed on the substrate, a gate insulating film formed on the gate electrode, and a source electrode provided in contact with or without contact with the gate insulating film, It has a drain electrode and a semiconductor layer.
In the present invention, the transistor may have various configurations such as a bottom contact type, a top-and-bottom contact type, and a top contact type depending on the arrangement of the source electrode, the drain electrode, and the semiconductor layer.
トップコンタクト型トランジスタの一例の概略断面構成図を図6(A)に示す。図6(A)のトランジスタは、基板25、該基板25上に形成されるゲート電極24、該ゲート電極24上に形成されるゲート絶縁膜23、該ゲート絶縁膜23上に形成される半導体層20、および該半導体層20上に離間して形成されるソース電極21およびドレイン電極22を備えた構造を有している。
A schematic cross-sectional configuration diagram of an example of the top contact transistor is illustrated in FIG. The transistor in FIG. 6A includes a
トップアンドボトムコンタクト型トランジスタの一例の概略断面構成図を図6(B)に示す。図6(B)のトランジスタは、ゲート絶縁膜23の一部の表面上にソース電極21が形成され、該ソース電極21とゲート絶縁膜23の残部の表面上に半導体層20が形成され、該半導体層20の一部の表面上にドレイン電極22が形成され、該ドレイン電極22の表面と半導体層20の残部の表面とがひとつの平面をなしていること以外、図6(A)のトランジスタと同様の構造を有している。
A schematic cross-sectional configuration diagram of an example of a top-and-bottom contact transistor is shown in FIG. 6B, the
ボトムコンタクト型トランジスタの一例の概略断面構成図を図6(C)に示す。図6(C)のトランジスタは、ソース電極21およびドレイン電極22が離間してゲート絶縁膜23上に形成され、該ソース電極21とドレイン電極22との間のゲート絶縁膜23上にソース電極およびドレイン電極に接触して半導体層20が形成されること以外、図6(A)のトランジスタと同様の構造を有している。
A schematic cross-sectional configuration diagram of an example of the bottom contact transistor is illustrated in FIG. In the transistor of FIG. 6C, the
図6(A)〜(C)において同じ符号は共通の部材を示すものとする。
本発明においては半導体層20が前記有機化合物(I)を用いて形成された有機薄膜であり、単一単分子膜または単分子累積膜の構造を有する。詳しくは図6(A)、(B)および(c)の半導体層は単一単分子膜または単分子累積膜の構造を有してよく、好ましくは単分子累積膜の構造を有する。
In FIGS. 6A to 6C, the same reference numerals indicate common members.
In the present invention, the
半導体層が単一単分子膜の構造を有する場合、当該単分子膜が有機化合物(I)を用いて形成されている。単一単分子膜は上記範囲内の有機化合物(I)から形成されている限り特に制限されないが、上記の中でも、有機基Bが単環系芳香族化合物、単環系複素環化合物、縮合系芳香族化合物、または縮合系複素環化合物またはそれらの化合物が2個以上結合した化合物に由来の基、特にフェニレン系化合物誘導体、チオフェン系化合物誘導体、ペリレン誘導体、またはペンタセン誘導体に由来の基である有機化合物(I)から形成されていることが好ましい。このときA1〜A6は特に制限されず、前記と同様であればよい。そのような単一単分子膜は直下のゲート絶縁膜と化学結合を介して結合されている。 When the semiconductor layer has a single monomolecular film structure, the monomolecular film is formed using the organic compound (I). The monomolecular film is not particularly limited as long as it is formed from the organic compound (I) within the above range. Among them, the organic group B is a monocyclic aromatic compound, a monocyclic heterocyclic compound, a condensed system. An organic group which is a group derived from an aromatic compound, a condensed heterocyclic compound or a compound in which two or more of these compounds are bonded, particularly a group derived from a phenylene compound derivative, a thiophene compound derivative, a perylene derivative or a pentacene derivative It is preferably formed from compound (I). At this time, A 1 to A 6 are not particularly limited and may be the same as described above. Such a monomolecular film is bonded to the gate insulating film directly below via a chemical bond.
半導体層が単分子累積膜の構造を有する場合、単分子膜の累積数は特に制限されないが、通常2〜20層、好ましくは2〜10である。半導体層としての単分子累積膜は、少なくとも1の単分子膜、好ましくは全ての単分子膜が有機化合物(I)を用いて形成されている。
例えば、2層累積膜の最下層単分子膜は、有機基Bが単環系複素環化合物、縮合系芳香族化合物またはそれらの化合物が2個以上結合した化合物、特にチオフェン系化合物誘導体、ペリレン誘導体、ペンタセン誘導体に由来の基である有機化合物(I)(A1〜A6は特に制限されず、前記と同様であればよい)から形成され、第2層の単分子膜は、有機基Bが単環系複素環化合物、縮合系芳香族化合物またはそれらの化合物が2個以上結合した化合物、特にチオフェン系化合物誘導体、ペリレン誘導体、ペンタセン誘導体に由来の基である有機化合物(I)から形成されていることが好ましい。
また例えば、3層累積膜の最下層単分子膜は有機基Bが単環系複素環化合物、縮合系芳香族化合物またはそれらの化合物が2個以上結合した化合物、特にチオフェン系化合物誘導体、ペリレン誘導体、ペンタセン誘導体に由来の基である有機化合物(I)(A1〜A6は特に制限されず、前記と同様であればよい)から形成され、第2層の単分子膜は有機基Bが単環系複素環化合物、縮合系芳香族化合物またはそれらの化合物が2個以上結合した化合物、特にチオフェン系化合物誘導体、ペリレン誘導体、ペンタセン誘導体に由来の基である有機化合物(I)(A1〜A6は特に制限されず、前記と同様であればよい)から形成され、第3層の単分子膜は有機基Bが単環系複素環化合物、縮合系芳香族化合物またはそれらの化合物が2個以上結合した化合物、特にチオフェン系化合物誘導体、ペリレン誘導体、ペンタセン誘導体に由来の基である有機化合物(I)(A1〜A6は特に制限されず、前記と同様であればよい)から形成されていることが好ましい。
When the semiconductor layer has a monomolecular cumulative film structure, the cumulative number of monomolecular films is not particularly limited, but is usually 2 to 20 layers, preferably 2 to 10. The monomolecular cumulative film as the semiconductor layer is formed of at least one monomolecular film, preferably all monomolecular films, using the organic compound (I).
For example, the lowermost monolayer of the two-layer cumulative film is a compound in which the organic group B is a monocyclic heterocyclic compound, a condensed aromatic compound or a compound in which two or more of these compounds are bonded, particularly a thiophene compound derivative or a perylene derivative. , Formed from the organic compound (I) which is a group derived from a pentacene derivative (A 1 to A 6 are not particularly limited, and may be the same as described above). Is formed from the organic compound (I) which is a group derived from a monocyclic heterocyclic compound, a condensed aromatic compound or a compound in which two or more of these compounds are bonded, particularly a thiophene compound derivative, a perylene derivative or a pentacene derivative. It is preferable.
Further, for example, the lowermost monolayer of the three-layer cumulative film is a compound in which the organic group B is a monocyclic heterocyclic compound, a condensed aromatic compound or a compound in which two or more of these compounds are bonded, particularly a thiophene compound derivative or a perylene derivative. , Formed from the organic compound (I) which is a group derived from a pentacene derivative (A 1 to A 6 are not particularly limited and may be the same as described above), and the monolayer of the second layer has an organic group B Monocyclic heterocyclic compounds, condensed aromatic compounds or compounds in which two or more of these compounds are bonded, in particular organic compounds (I) (A 1 to (A 1 ) which are groups derived from thiophene compound derivatives, perylene derivatives, pentacene derivatives) A 6 is not particularly limited, and may be the same as described above. In the third monolayer, the organic group B is a monocyclic heterocyclic compound, a condensed aromatic compound or a compound thereof. Pieces Compounds above bound, formed in particular thiophene compound derivative, perylene derivative, an organic compound is a group derived from pentacene derivative (I) (A 1 ~A 6 is not particularly limited, and may be the same as above) It is preferable.
また例えば、半導体層が2〜20層の累積膜である場合、全ての単分子膜が同一の有機化合物(I)から形成されていてもよい。このとき、全ての単分子膜を構成する同一の有機化合物(I)は有機基Bが単環系複素環化合物、縮合系芳香族化合物またはそれらの化合物が2個以上結合した化合物、特にチオフェン系化合物誘導体、ペリレン誘導体、ペンタセン誘導体に由来の基であることが好ましい(A1〜A6は特に制限されず、前記と同様であればよい)。 For example, when the semiconductor layer is a cumulative film of 2 to 20 layers, all monomolecular films may be formed of the same organic compound (I). In this case, the same organic compound (I) constituting all monomolecular films is a compound in which the organic group B is a monocyclic heterocyclic compound, a condensed aromatic compound or a compound in which two or more of these compounds are bonded, particularly a thiophene type. It is preferably a group derived from a compound derivative, a perylene derivative, or a pentacene derivative (A 1 to A 6 are not particularly limited and may be the same as described above).
半導体層が単一単分子膜または単分子累積膜のいずれの構造を有する場合であっても、各単分子膜にはドーパントが添加されていてもよい。ドーパントとしては有機薄膜トランジスタの分野で公知のものが使用可能であり、例えば、ハロゲン、ヨウ素、アルカリ金属等が挙げられる。 Whether the semiconductor layer has a single monomolecular film or a monomolecular cumulative film, a dopant may be added to each monomolecular film. As the dopant, those known in the field of organic thin film transistors can be used, and examples thereof include halogen, iodine, and alkali metal.
本発明のトランジスタにおける半導体層において有機化合物(I)を用いて形成された単分子膜は直下の膜と化学結合を介して結合されている。特に、単分子累積膜の全ての単分子膜が有機化合物(I)を用いて形成されている場合は、全ての単分子膜が直下の膜と化学結合を介して結合されている。 The monomolecular film formed using the organic compound (I) in the semiconductor layer of the transistor of the present invention is bonded to the film immediately below through a chemical bond. In particular, when all the monomolecular films of the monomolecular cumulative film are formed using the organic compound (I), all the monomolecular films are bonded to the film immediately below through a chemical bond.
トランジスタの半導体層において有機化合物(I)を含まない単分子膜はいかなる有機化合物からなっていてもよく、例えば、上記有機化合物(I)の説明で例示した有機基Bを誘導し得るπ電子共役性骨格含有分子からなっていてよい。 The monomolecular film not containing the organic compound (I) in the semiconductor layer of the transistor may be made of any organic compound, for example, a π-electron conjugate capable of inducing the organic group B exemplified in the description of the organic compound (I). It may consist of sex skeleton-containing molecules.
半導体層の製造方法として、有機化合物(I)からなる単分子膜は前記有機薄膜の形成方法と同様の方法を採用して形成すればよい。有機化合物(I)を含まない単分子膜はスピンコート、キャスト、ディップコート、LB等の方法を採用して形成すればよい。半導体層を構成する各単分子膜の膜厚は分子長に依存するため一概に規定できないが、4〜300nm、特に4〜100nmが適当である。 As a method for producing the semiconductor layer, the monomolecular film made of the organic compound (I) may be formed by employing a method similar to the method for forming the organic thin film. The monomolecular film not containing the organic compound (I) may be formed by employing a method such as spin coating, casting, dip coating, or LB. Although the thickness of each monomolecular film constituting the semiconductor layer depends on the molecular length and cannot be defined unconditionally, it is suitably 4 to 300 nm, particularly 4 to 100 nm.
基板25、ゲート電極24、ゲート絶縁膜23、ソース電極21およびドレイン電極22は従来から有機トランジスタの分野で使用されている公知の材料が使用可能である。
詳しくは、基板は、例えば、Siウエハー、ガラス等からなっている。
ゲート絶縁膜は、例えば、酸化シリコン、チッ化シリコン、酸化アルミニウム等からなり、蒸着、CVD等の方法によって形成可能である。ゲート絶縁膜の膜厚は特に制限されないが、通常、50〜1000nmから選択される。
ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極はそれぞれ独立して、例えば、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウムスズ(ITO)等の導電性金属酸化物、金、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル等の金属からなり、蒸着、CVD、スパッタ等の方法によって形成可能である。これらの電極の膜厚は特に制限されないが、通常、それぞれ独立して10〜100nmから選択される。
For the
Specifically, the substrate is made of, for example, a Si wafer or glass.
The gate insulating film is made of, for example, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, or the like, and can be formed by a method such as vapor deposition or CVD. The thickness of the gate insulating film is not particularly limited, but is usually selected from 50 to 1000 nm.
The gate electrode, the source electrode, and the drain electrode are each independently, for example, conductive metal oxide such as tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), gold, silver, aluminum, chromium, nickel, etc. It is made of metal and can be formed by methods such as vapor deposition, CVD, and sputtering. The film thickness of these electrodes is not particularly limited, but is usually selected independently from 10 to 100 nm.
(有機光電変換素子)
有機光電変換素子は図7に示すように、透明電極31と対向電極32との間に有機層35を有してなり、本発明においては該有機層35が前記有機化合物(I)を用いて形成された有機薄膜である。
(Organic photoelectric conversion element)
As shown in FIG. 7, the organic photoelectric conversion element has an
すなわち、有機層35は少なくとも光導電層33および34からなり、光導電層35は変換効率向上の観点から、図7に示すように、n型光導電層として機能する電子受容体層33およびp型光導電層として機能する電子供与体層34からなっていることが好ましい。
本発明の光電変換素子において有機層35を構成し得るn型光導電層33およびp型光導電層34はそれぞれ単一単分子膜または単分子累積膜のいずれの構造を有してもよく、有機層35は全体として単分子累積膜の構造を有する。本発明においては有機層を構成する少なくとも1の単分子膜、好ましくは全ての単分子膜が有機化合物(I)を用いて形成されている。
That is, the
The n-
詳しくは、n型光導電層33は単一単分子膜の構造を有し、有機基Bがペリレン誘導体、ペリノン誘導体、ナフタレン誘導体、フッ素置換された単環系複素環化合物、縮合系芳香族化合物またはそれらの化合物が2個以上結合した化合物、特にペリレン誘導体、フッ素置換されたオリゴチオフェン誘導体に由来の基である有機化合物(I)(A1〜A6は特に制限されず、前記と同様であればよい)から形成されていることが好ましい。n型光導電層33が単分子累積膜の構造を有する場合は当該累積膜を構成する全ての単分子膜が、単一単分子膜の構造を有する場合の上記好ましい有機化合物(I)から形成されていることが好ましく、全ての単分子膜が同一の有機化合物(I)から形成されていてもよい。n型光導電層の厚みは特に制限されないが、4〜300nm、特に4〜100nmが適当である。
Specifically, the n-
p型光導電層34は単一単分子膜の構造を有し、有機基Bが、単環系芳香族化合物、単環系複素環化合物、縮合系芳香族化合物またはそれらの化合物が2個以上結合した化合物、特にフェニレン系化合物誘導体、チオフェン系化合物誘導体に由来の基である有機化合物(I)(A1〜A6は特に制限されず、前記と同様であればよい)から形成されていることが好ましい。p型光導電層34が単分子累積膜の構造を有する場合は当該累積膜を構成する全ての単分子膜が、単一単分子膜の構造を有する場合の上記好ましい有機化合物(I)から形成されていることが好ましく、全ての単分子膜が同一の有機化合物(I)から形成されていてもよい。p型光導電層の厚みは特に制限されないが、4〜300nm、特に4〜100nmが適当である。
The p-
本発明の光電変換素子における有機層35において有機化合物(I)を用いて形成された単分子膜は直下の膜または電極と化学結合を介して結合されている。特に、全ての層における全ての単分子膜が有機化合物(I)を用いて形成されている場合は、全ての単分子膜が直下の膜または電極と化学結合を介して結合されている。
The monomolecular film formed using the organic compound (I) in the
光電変換素子の有機層において有機化合物(I)を含まない単分子膜はいかなる有機化合物からなっていてもよく、例えば、上記有機化合物(I)の説明で例示した有機基Bを誘導し得るπ電子共役性骨格含有分子からなっていてよい。 The monomolecular film not containing the organic compound (I) in the organic layer of the photoelectric conversion element may be composed of any organic compound, for example, π capable of inducing the organic group B exemplified in the description of the organic compound (I). It may consist of an electron conjugated skeleton-containing molecule.
光電変換素子の製造方法として、有機層35を構成する単分子膜のうち有機化合物(I)からなる単分子膜は前記有機薄膜の形成方法と同様の方法を採用して形成すればよい。有機化合物(I)を含まない単分子膜はスピンコート、キャスト、ディップコート、LB等の等の方法を採用して形成すればよい。
As a method for producing a photoelectric conversion element, a monomolecular film made of the organic compound (I) among monomolecular films constituting the
透明電極31および対向電極32は従来から光電変換素子の分野で使用されている公知の材料が使用可能である。
透明電極は、例えば、ガラス、プラスチックにITOのような導電性金属酸化物を被覆したもの)が好ましい。
対向電極は、例えば、(白金、金、アルミニウム等の金属、ITO等の導電性の金属酸化物)が好ましい。
透明電極および対向電極の厚みは特に制限されないが、通常、それぞれ独立して50〜1000nmである。
For the
The transparent electrode is preferably made of, for example, glass or plastic coated with a conductive metal oxide such as ITO.
The counter electrode is preferably, for example, (metal such as platinum, gold, or aluminum, or conductive metal oxide such as ITO).
Although the thickness of a transparent electrode and a counter electrode is not specifically limited, Usually, it is 50-1000 nm each independently.
(有機EL素子)
有機EL素子は図8に示すように、陽極41と陰極42との間に有機層48を有してなり、本発明においては該有機層48が前記有機化合物(I)を用いて形成された有機薄膜である。
(Organic EL device)
As shown in FIG. 8, the organic EL element has an
すなわち、有機層48は少なくとも発光層43からなり、所望により該発光層43に隣接して形成される電子輸送層45および正孔輸送層44を有してもよい。また有機層48は発光効率向上の観点から、陽極41と正孔輸送層44との間に正孔注入層(図示せず)、陰極42と電子輸送層45との間に電子注入層(図示せず)を有してもよい。
本発明のEL素子において有機層48を構成し得る発光層43、電子輸送層45、正孔輸送層44、正孔注入層および電子注入層はそれぞれ単一単分子膜または単分子累積膜のいずれの構造を有してもよく、有機層48は全体として単分子累積膜の構造を有する。本発明においては有機層を構成する少なくとも1の単分子膜、好ましくは全ての単分子膜が有機化合物(I)を用いて形成されている。
That is, the
In the EL device of the present invention, the
詳しくは、発光層43は正孔輸送層44から注入された正孔、電子輸送層45から注入された電子が移動し、正孔と電子が再結合して発光する機能を有する層である。そのような発光層43は単一単分子膜の構造を有し、有機基Bが縮合系芳香族化合物、オリゴチオフェン誘導体、特に縮合系芳香族化合物に由来の基である有機化合物(I)(A1〜A6は特に制限されず、前記と同様であればよい)から形成されていることが好ましい。発光層が単分子累積膜の構造を有する場合は当該累積膜を構成する全ての単分子膜が、単一単分子膜の構造を有する場合の上記好ましい有機化合物(I)から形成されていることが好ましく、全ての単分子膜が同一の有機化合物(I)から形成されていてもよい。発光層の厚みは特に制限されないが、4〜300nm、特に4〜100nmが適当である。
Specifically, the
正孔輸送層44および正孔注入層は陽極41から発光層43への正孔注入効率を高めるとともに、陽極41へ電子が抜け出ることを防ぐ機能を有する層である。そのような正孔輸送層44および正孔注入層はそれぞれ、単一単分子膜の構造を有し、有機基Bが単環系複素環化合物、縮合系芳香族化合物またはそれらの化合物が2個以上結合した化合物、特にフェニレン系化合物誘導体、チオフェン系化合物誘導体に由来の基である有機化合物(I)(A1〜A6は特に制限されず、前記と同様であればよい)から形成されていることが好ましい。正孔輸送層44および正孔注入層が単分子累積膜の構造を有する場合は当該累積膜を構成する全ての単分子膜が、単一単分子膜の構造を有する場合の上記好ましい有機化合物(I)から形成されていることが好ましく、全ての単分子膜が同一の有機化合物(I)から形成されていてもよい。正孔輸送層および正孔注入層の厚みは特に制限されないが、それぞれ独立して4〜300nm、特に4〜100nmが適当である。
The
電子輸送層45および電子注入層は陰極42から発光層43への電子注入効率を高める機能を有する層である。そのような電子輸送層45および電子注入層はそれぞれ、単一単分子膜の構造を有し、有機基Bがペリレン誘導体、ペリノン誘導体、ナフタレン誘導体、フッ素置換された単環系複素環化合物、縮合系芳香族化合物またはそれらの化合物が2個以上結合した化合物、特にペリレン誘導体、フッ素置換されたオリゴチオフェン誘導体に由来の基である有機化合物(I)(A1〜A6は特に制限されず、前記と同様であればよい)から形成されていることが好ましい。電子輸送層45および電子注入層が単分子累積膜の構造を有する場合は当該累積膜を構成する全ての単分子膜が、単一単分子膜の構造を有する場合の上記好ましい有機化合物(I)から形成されていることが好ましく、全ての単分子膜が同一の有機化合物(I)から形成されていてもよい。電子輸送層および電子注入層の厚みは特に制限されないが、それぞれ独立して4〜300nm、特に4〜100nmが適当である。
The
本発明のEL素子における有機層48において有機化合物(I)を用いて形成された単分子膜は直下の膜または電極と化学結合を介して結合されている。特に、全ての層における全ての単分子膜が有機化合物(I)を用いて形成されている場合は、全ての単分子膜が直下の膜または電極と化学結合を介して結合されている。
The monomolecular film formed using the organic compound (I) in the
EL素子の有機層において有機化合物(I)を含まない単分子膜はいかなる有機化合物からなっていてもよく、例えば、上記有機化合物(I)の説明で例示した有機基Bを誘導し得るπ電子共役性骨格含有分子からなっていてよい。 The monomolecular film not containing the organic compound (I) in the organic layer of the EL element may be composed of any organic compound, for example, π electrons capable of inducing the organic group B exemplified in the description of the organic compound (I). It may consist of a conjugated skeleton-containing molecule.
EL素子の製造方法として、有機層48を構成する単分子膜のうち有機化合物(I)からなる単分子膜は前記有機薄膜の形成方法と同様の方法を採用して形成すればよい。有機化合物(I)を含まない単分子膜はスピンコート、キャスト、ディップコート、LB等の等の方法を採用して形成すればよい。
As a method for manufacturing an EL element, a monomolecular film made of the organic compound (I) among monomolecular films constituting the
陽極41には、正孔注入能が高い、仕事関数の比較的大きな金属や合金の電気伝導性化合物が用いられる。このような化合物の例として、金、ヨウ化銅、酸化スズ、ITOなどがある。このうち、可視光領域で透過率の高い物質が好ましく、特にITOが最も好ましい。
陰極42には仕事関数の比較的小さな金属や合金(例えば、4eV以下)が用いられる。このような化合物の例として、アルカリ金属、アルカリ土類金属およびガリウム、インジウムなどの第III族金属が挙げられるが、安価で比較的化学的に安定なマグネシウムが最も広く用いられる。マグネシウムは酸化されやすいので、酸化防止剤を混合したものがさらに好ましい。
陽極および陰極の厚みは特に制限されないが、それぞれ独立して10nm〜5μmであることが好ましい。
For the
For the
The thicknesses of the anode and the cathode are not particularly limited, but are preferably independently 10 nm to 5 μm.
実験例1
<合成例1:前記一般式(a1)で表されるジシリル化クォーターチオフェン(以下、チオフェン(a1)という)の合成>
<Synthesis Example 1: Synthesis of disilylated quarterthiophene (hereinafter referred to as thiophene (a1)) represented by the general formula (a1)>
2,2’−ビチオフェン(492−97−7)をクロロ化させるために、酢酸中、NBS及びクロロホルムで処理し、クロロ化を行った(中間体1)。クロロ化したビチオフェン同士を、DMF溶媒中でトリス(トリフェニルホスフィン)ニッケル(tris(triphenylphosphine)Nickel:(PPh3)3Ni)を触媒として反応させることによって、クロロ化させた部分でビチオフェン同士を直接結合させて、クォーターチオフェンを合成した。 In order to chlorinate 2,2′-bithiophene (492-97-7), it was treated with NBS and chloroform in acetic acid to carry out chlorination (intermediate 1). By directly reacting chlorinated bithiophenes with tris (triphenylphosphine) nickel (tris (triphenylphosphine) nickel: (PPh 3 ) 3Ni) in a DMF solvent, the bithiophenes are directly bonded to each other at the chlorinated portion. Then, quarterthiophene was synthesized.
1リットルガラスフラスコに、乾燥窒素気流下で、1当量のクォーターチオフェン、1当量のトリエトキシブロモシラン、(ヘキサン/ジエチルエーテル)混合溶液300mlを仕込み、1当量のt−ブチルリチウムを−78℃にて滴下漏斗から12時間かけて滴下し、滴下終了後一度室温まで温めてから、−196℃に再度冷却した。反応溶液を蒸留して、トリエトキシシリル化したクォーターチオフェンの無色液体を留分として得た。
得られたトリエトキシシリル化したクォーターチオフェンをトルエン溶媒中に溶かし、0℃で1当量のt−ブチルリチウムを10時間かけて滴下した。滴下終了後、室温にて12時間攪拌を行い、サスペンションを得た。サスペンションを1当量のテトラクロロシランを混合したトルエン溶液中に−78℃で10時間かけて滴下した。滴下終了後、冷却バスからフラスコをはずして、さらに6時間攪拌を行った。
沈殿物である塩化リチウムをろ過により除去した後、減圧ろ過により(a1)を得た。
A 1 liter glass flask is charged with 1 equivalent of quarterthiophene, 1 equivalent of triethoxybromosilane, (hexane / diethyl ether) mixed solution (300 ml) under a dry nitrogen stream, and 1 equivalent of t-butyllithium is brought to -78 ° C. After dropping from the dropping funnel over 12 hours, the mixture was warmed to room temperature once the dropping was completed, and then cooled again to -196 ° C. The reaction solution was distilled to obtain a triethoxysilylated quarterthiophene colorless liquid as a fraction.
The obtained triethoxysilylated quarterthiophene was dissolved in a toluene solvent, and 1 equivalent of t-butyllithium was added dropwise at 0 ° C. over 10 hours. After completion of dropping, the mixture was stirred at room temperature for 12 hours to obtain a suspension. The suspension was dropped into a toluene solution mixed with 1 equivalent of tetrachlorosilane at −78 ° C. over 10 hours. After completion of dropping, the flask was removed from the cooling bath, and stirring was further performed for 6 hours.
After removing lithium chloride as a precipitate by filtration, (a1) was obtained by filtration under reduced pressure.
得られたチオフェン(a1)の機器分析の結果を示す。
1H NMR(δ CDCl3):
7.00ppm(m,8H,C4H2S)
3.83ppm(m,6H,C2H5)
1.22ppm(m,9H,C2H5)
UV−Vis: 400nm(C4H2S)
以上の測定結果から、この化合物が前記一般式(a1)の構造を有することを確認した。
The result of the instrumental analysis of the obtained thiophene (a1) is shown.
1 H NMR (δ CDCl 3 ):
7.00 ppm (m, 8H, C 4 H 2 S)
3.83 ppm (m, 6H, C 2 H 5 )
1.22 ppm (m, 9H, C 2 H 5 )
UV-Vis: 400nm (C 4 H 2 S)
From the above measurement results, it was confirmed that this compound had the structure of the general formula (a1).
<合成例2:前記一般式(a12)で表されるジシリル化ヘキシチオフェン(以下、チオフェン(a12)という)の合成>
合成例1で示した手法を用いて、ビチオフェンの2段階カップリングによりヘキシチオフェンの合成を行った。
1リットルガラスフラスコに、乾燥窒素気流下で、1当量のヘキシチオフェン、1当量のトリイソプロピルブロモシラン、クロロホルム溶液300mlを仕込み、1当量のt−ブチルリチウムを−60℃にて滴下漏斗から12時間かけて滴下し、滴下終了後一度室温まで温めてから、−180℃に再度冷却した。反応溶液を蒸留して、トリイソプロピルシリル化したヘキシチオフェンの無色液体を留分として得た。
Using the method shown in Synthesis Example 1, hexthiophene was synthesized by two-step coupling of bithiophene.
A 1 liter glass flask was charged with 1 equivalent of hexythiophene, 1 equivalent of triisopropylbromosilane, and 300 ml of a chloroform solution under a dry nitrogen stream. The solution was added dropwise over a period of time, and after the completion of the addition, the mixture was once warmed to room temperature and then cooled again to -180 ° C. The reaction solution was distilled to obtain a triisopropylsilylated hexthiophene colorless liquid as a fraction.
得られたトリイソプロピルシリル化したヘキシチオフェンをクロロホルム溶媒中に溶かし、0℃で一当量のt−ブチルリチウムを10時間かけて滴下した。滴下終了後、室温にて12時間攪拌を行い、サスペンションを得た。サスペンションを1当量のテトラエトキシシランを混合したクロロホルム溶液中に−78℃で10時間かけて滴下した。滴下終了後、冷却バスからフラスコをはずして、さらに6時間攪拌を行った。
沈殿物である塩化リチウムをろ過により除去した後、減圧ろ過により(a12)を得た。
The obtained triisopropylsilylated hexthiophene was dissolved in a chloroform solvent, and 1 equivalent of t-butyllithium was added dropwise at 0 ° C. over 10 hours. After completion of dropping, the mixture was stirred at room temperature for 12 hours to obtain a suspension. The suspension was dropped into a chloroform solution mixed with 1 equivalent of tetraethoxysilane at −78 ° C. over 10 hours. After completion of dropping, the flask was removed from the cooling bath, and stirring was further performed for 6 hours.
After removing lithium chloride as a precipitate by filtration, (a12) was obtained by filtration under reduced pressure.
得られたチオフェン(a12)の機器分析の結果を示す。
1H NMR(δ CDCl3):
7.00ppm(m,12H,C4H2S)
3.83ppm(m,6H,OC2H5)
1.80ppm(m,3H,C3H7)
1.22ppm(m,9H,OC2H5)
0.90ppm(m,18H,C3H7)
UV−Vis: 439nm(C4H2S)
以上の測定結果から、この化合物が前記一般式(a12)の構造を有することを確認した。
The result of the instrumental analysis of the obtained thiophene (a12) is shown.
1 H NMR (δ CDCl 3 ):
7.00 ppm (m, 12H, C 4 H 2 S)
3.83 ppm (m, 6H, OC 2 H 5 )
1.80 ppm (m, 3H, C 3 H 7 )
1.22 ppm (m, 9H, OC 2 H 5 )
0.90 ppm (m, 18H, C 3 H 7 )
UV-Vis: 439nm (C 4 H 2 S)
From the above measurement results, it was confirmed that this compound had the structure of the general formula (a12).
<実施例1:チオフェン(a1)の単分子膜のみからなる単一膜、チオフェン(a12)の単分子膜のみからなる単一膜、及びチオフェン(a1)の単分子膜およびチオフェン(a12)の単分子膜からなる2層累積化膜の製造>
Siウエハー、石英ガラス基板を(過酸化水素水/硫酸)混合溶液中への浸漬かつ紫外光照射により親水化処理を施し、純水でよく洗浄したものを基板として用いた。調製した基板を用いて、成膜を行った。
まず、チオフェン(a1)の0.2mMトルエン溶液をpH=7の水面上に展開し、トリクロロシリル基における塩素原子の脱離に伴う基板上への吸着反応をLB法を利用して行い、チオフェン(a1)の単分子膜を調製した。
別に、チオフェン(a12)を用いたこと、および下層水のpHを2に調整したこと以外、上記と同様の方法によって、チオフェン(a12)の単分子膜を調製した。
<Example 1: A single film consisting only of a monomolecular film of thiophene (a1), a single film consisting only of a monomolecular film of thiophene (a12), and a monomolecular film of thiophene (a1) and thiophene (a12) Manufacture of bilayer cumulative film consisting of monomolecular film>
A substrate obtained by immersing a Si wafer and a quartz glass substrate in a (hydrogen peroxide solution / sulfuric acid) mixed solution and applying a hydrophilic treatment by irradiation with ultraviolet light and thoroughly washing with pure water was used as the substrate. Film formation was performed using the prepared substrate.
First, a 0.2 mM toluene solution of thiophene (a1) is developed on the water surface at pH = 7, and an adsorption reaction on the substrate accompanying the elimination of the chlorine atom in the trichlorosilyl group is performed using the LB method. A monomolecular film (a1) was prepared.
Separately, a monomolecular film of thiophene (a12) was prepared by the same method as described above except that thiophene (a12) was used and the pH of the lower layer water was adjusted to 2.
次に、チオフェン(a12)の0.2mMトルエン溶液をpH=2の水面上に展開し、LB法によって、上記プロセスで調製したチオフェン(a1)の単分子膜上に成膜し、累積膜を形成した。pH=2の条件下で行うことで、吸着反応はチオフェン(a1)および(a12)のトリエトキシシリル基の加水分解により進行する。 Next, a 0.2 mM toluene solution of thiophene (a12) is spread on the water surface at pH = 2, and is deposited on the monomolecular film of thiophene (a1) prepared by the above process by the LB method. Formed. By carrying out under the condition of pH = 2, the adsorption reaction proceeds by hydrolysis of the triethoxysilyl group of thiophene (a1) and (a12).
原子間力顕微鏡(AFM)(SPA400;セイコーインスツルメンツ社製)により累積膜の表面形態を50μmサイズで観察したところ、50μmサイズで膜は均一に形成されていた。また、膜を力学的処理により切削したところ、膜厚はクォーターチオフェンおよびヘキシチオフェンの分子長の和に相当する6nm程度であった。このことから、膜厚の均一な単分子2層膜が調製できていることが判った。 When the surface morphology of the accumulated film was observed at 50 μm size with an atomic force microscope (AFM) (SPA400; manufactured by Seiko Instruments Inc.), the film was uniformly formed at 50 μm size. Further, when the film was cut by mechanical treatment, the film thickness was about 6 nm corresponding to the sum of the molecular lengths of quarterthiophene and hexythiophene. From this, it was found that a monomolecular bilayer film having a uniform film thickness was prepared.
膜の累積状態を詳細に評価するために、チオフェン(a1)の単分子膜のみからなる単一膜及びチオフェン(a1)および(a12)の単分子2層膜をサンプルとして、(UV−3000;島津社製)により、紫外−可視吸収スペクトル測定を行った。結果、チオフェン(a1)の単分子膜では350nm付近に、チオフェン(a1)および(a12)の単分子2層膜では350及び410nm付近にそれぞれピーク位置を持つ吸収が観測された。以上のことから、膜の2層累積化が行えていることが判明した。 In order to evaluate the accumulated state of the film in detail, a single film consisting only of a monomolecular film of thiophene (a1) and a monomolecular bilayer film of thiophene (a1) and (a12) were used as samples (UV-3000; UV-visible absorption spectrum measurement was performed by Shimadzu Corporation. As a result, absorption having peak positions was observed in the vicinity of 350 nm for the monomolecular film of thiophene (a1), and in the vicinity of 350 and 410 nm for the monomolecular bilayer films of thiophene (a1) and (a12). From the above, it was found that two layers of films can be accumulated.
「H−7500;日立社製」による電子線回折(ED)測定に基づいて、単分子2層累積膜の結晶配列を評価した。試料として、チオフェン(a1)の単分子膜のみからなる単一膜、チオフェン(a2)の単分子膜のみからなる単一膜、及びチオフェン(a1)および(a2)の単分子2層膜を用いた。ED測定を行うための基板は、銅メッシュシートに支持膜としてホルムバール膜を貼り付けたものに、表面親水化処理するためにSiO2を蒸着させたものを用いた。その結果、チオフェン(a1)の単分子膜では0.40及び0.34nmの面間隔に相当する回折スポット、チオフェン(a1)および(a12)の単分子2層膜では0.40及び0.34nm、0.42及び0.36nmの面間隔に相当する回折スポットがそれぞれ観測された。これより、それぞれの単一膜だけでなく単分子2層累積膜においても結晶配列の秩序性の高い累積膜が調製できていることが判った。 Based on the electron diffraction (ED) measurement by "H-7500; manufactured by Hitachi, Ltd.", the crystal arrangement of the monomolecular bilayer cumulative film was evaluated. As a sample, a single film consisting only of a monomolecular film of thiophene (a1), a single film consisting only of a monomolecular film of thiophene (a2), and a monomolecular bilayer film of thiophene (a1) and (a2) are used. It was. As a substrate for performing ED measurement, a substrate obtained by adhering a form bar film as a support film to a copper mesh sheet and having SiO 2 deposited for surface hydrophilization treatment was used. As a result, the diffraction spots corresponding to the plane spacing of 0.40 and 0.34 nm are obtained for the monomolecular film of thiophene (a1), and 0.40 and 0.34 nm for the monomolecular bilayer films of thiophene (a1) and (a12). , 0.42 and 0.36 nm are observed, respectively. From this, it was found that not only each single film but also a monomolecular bilayer cumulative film, a cumulative film having a high order of crystal arrangement could be prepared.
<実施例2:チオフェン(a1)の単分子膜からなる単一膜および2層〜5層累積化膜の形成>
チオフェン(a1)の0.01mMトルエン溶液に、実施例1で示した方法で調整した親水性基板を室温で12時間浸漬させた。基板表面に存在する水酸基とトリクロロシリル基が反応し、チオフェン(a1)の分子が吸着することで最下層の単分子膜が形成された。得られた基板を有機溶媒にて洗浄して残存する未反応のチオフェン(a1)を除去した。洗浄した基板を、pH=4の純水中に浸漬して、トリエトキシシリル基を加水分解してトリヒドロキシシリル基とした。そして、チオフェン(a1)の0.01mMトルエン溶液に、ヒドロキシシリル基末端で終焉した単分子膜形成基板を、室温で12時間浸漬させた。最下層の単分子膜の膜表面に存在するヒドロキシシリル基と溶液中のトリクロロシリル基の吸着反応により、最下層の単分子膜上に第2層目の単分子膜を調製した。さらに、前記した第2番目の単分子膜の累積プロセスを3度繰り返して行うことで、チオフェン(a1)の単分子膜が5層積層されてなる5層累積膜を調製した。
<Example 2: Formation of a single film composed of a monomolecular film of thiophene (a1) and a stacked film of two to five layers>
The hydrophilic substrate prepared by the method shown in Example 1 was immersed in a 0.01 mM toluene solution of thiophene (a1) at room temperature for 12 hours. The lowermost monomolecular film was formed by the reaction between the hydroxyl group present on the substrate surface and the trichlorosilyl group, and the adsorption of thiophene (a1) molecules. The obtained substrate was washed with an organic solvent to remove the remaining unreacted thiophene (a1). The cleaned substrate was immersed in pure water having pH = 4 to hydrolyze the triethoxysilyl group to obtain a trihydroxysilyl group. Then, the monomolecular film-formed substrate terminated at the hydroxysilyl group end was immersed in a 0.01 mM toluene solution of thiophene (a1) at room temperature for 12 hours. A second monomolecular film was prepared on the lowermost monomolecular film by an adsorption reaction between the hydroxysilyl group present on the film surface of the lowermost monomolecular film and the trichlorosilyl group in the solution. Further, the above-described accumulation process of the second monomolecular film was repeated three times to prepare a five-layer accumulation film in which five monolayers of thiophene (a1) were laminated.
以下では、膜の累積数に応じた膜厚、吸収特性及び結晶配列の周期性を評価するために、AFM観察、紫外可視吸収スペクトル測定及びED測定をそれぞれ実施例1と同様の方法により行った。その結果、AFM観察より、累積数がひとつ増大するごとに膜厚は3nm程度ずつ大きくなり、またUV−Vis吸収スペクトル測定よりπ−π*遷移に対応する吸収の吸光度の大きさは膜厚に対して線形的に増大していたことから、均一に膜の累積化が行えていることが判った。単一単分子膜から5層累積膜のそれぞれの膜に対してED測定を行ったところ、面間隔0.40及び0.34nmの回折スポットが観測されたことから、膜の結晶配列の秩序性は膜の累積化によって低下することなく、高配向の累積膜の形成が判明した。 In the following, AFM observation, ultraviolet-visible absorption spectrum measurement, and ED measurement were performed in the same manner as in Example 1 in order to evaluate the film thickness, absorption characteristics, and periodicity of crystal arrangement according to the cumulative number of films. . As a result, from AFM observation, as the cumulative number increases by one, the film thickness increases by about 3 nm, and from the UV-Vis absorption spectrum measurement, the absorbance corresponding to the π-π * transition varies with the film thickness. On the other hand, since it increased linearly, it was found that the film could be uniformly accumulated. When ED measurement was performed on each of the five-layer cumulative films from a single monomolecular film, diffraction spots with an interplanar spacing of 0.40 and 0.34 nm were observed. It was found that the formation of a highly oriented cumulative film was not caused by a decrease in film accumulation.
面内電気AFM測定に基づいて、単一膜および2層〜5層累積膜の電気特性を評価した。図4は測定系の概略図である。基板として、金/クロムを数10nm蒸着させて作製したくし歯型形状の電極を有するマイカを用いて、電気特性を評価した。図中、10はSPM装置系のピエゾ素子、11はカンチレバー、12は単一膜または累積膜、13は金/クロム電極、14はマイカ基板、15は電流計測定手段である。
面内方向における電極界面からの電流特性は、累積数が増大するにしたがい良好な傾向を示し、単一膜では約10−4S・cm−1であったのに対し、5層累積膜では約40−3S・cm−1と大きな値を示した。これより、配向性の高い累積膜を調製することによって電気特性を向上させることができ、本発明の化合物を用いた単分子膜の累積化は有機デバイスの高性能化のための膜厚制御に有用な知見を与えることができる。
Based on the in-plane electrical AFM measurement, the electrical characteristics of the single film and the 2-5 layers cumulative film were evaluated. FIG. 4 is a schematic diagram of the measurement system. Electrical characteristics were evaluated using a mica having a comb-shaped electrode produced by depositing several tens of nanometers of gold / chrome as a substrate. In the figure, 10 is an SPM device piezo element, 11 is a cantilever, 12 is a single or cumulative film, 13 is a gold / chrome electrode, 14 is a mica substrate, and 15 is an ammeter measuring means.
The current characteristics from the electrode interface in the in-plane direction showed a good tendency as the cumulative number increased, and was about 10 −4 S · cm −1 for the single film, whereas for the five-layer cumulative film A large value of about 40 −3 S · cm −1 was exhibited. From this, it is possible to improve the electrical characteristics by preparing a highly oriented cumulative film, and the accumulation of monomolecular films using the compounds of the present invention can be used to control the film thickness for higher performance of organic devices. Useful knowledge can be given.
実験例2;
<合成例3:前記一般式(b5)で表されるジシリル化ターフェニル(以下、ターフェニル(b5)という)の合成>
<Synthesis Example 3: Synthesis of disilylated terphenyl represented by the general formula (b5) (hereinafter referred to as terphenyl (b5))>
1リットルガラスフラスコに、乾燥窒素気流下で、1当量のターフェニル、1当量のトリエチルブロモシラン、クロロホルム溶液300mlを仕込み、1当量のt−ブチルリチウムを−78℃にて滴下漏斗から12時間かけて滴下し、滴下終了後一度室温まで温めてから、−196℃に再度冷却した。反応溶液を蒸留して、トリエチルシリル化したターフェニルの無色液体を留分として得た。 A 1-liter glass flask was charged with 1 equivalent of terphenyl, 1 equivalent of triethylbromosilane, and 300 ml of a chloroform solution under a dry nitrogen stream, and 1 equivalent of t-butyllithium was added at −78 ° C. from a dropping funnel over 12 hours. After the completion of the dropwise addition, the mixture was once warmed to room temperature and then cooled again to -196 ° C. The reaction solution was distilled to obtain a triethylsilylated terphenyl colorless liquid as a fraction.
得られたトリエチルシリル化したターフェニルをトルエン溶媒中に溶かし、0℃で一当量のt−ブチルリチウムを10時間かけて滴下した。滴下終了後、室温にて12時間攪拌を行い、サスペンションを得た。サスペンションを1当量のテトラクロロシランを混合したトルエン溶液中に−78℃で10時間かけて滴下した。滴下終了後、冷却バスからフラスコをはずして、さらに6時間攪拌を行った。
沈殿物である塩化リチウムをろ過により除去した後、減圧ろ過によりターフェニル(b5)を得た。
The obtained triethylsilylated terphenyl was dissolved in a toluene solvent, and 1 equivalent of t-butyllithium was added dropwise at 0 ° C. over 10 hours. After completion of dropping, the mixture was stirred at room temperature for 12 hours to obtain a suspension. The suspension was dropped into a toluene solution mixed with 1 equivalent of tetrachlorosilane at −78 ° C. over 10 hours. After completion of dropping, the flask was removed from the cooling bath, and stirring was further performed for 6 hours.
After removing lithium chloride as a precipitate by filtration, terphenyl (b5) was obtained by filtration under reduced pressure.
得られたターフェニル(b5)の機器分析の結果を示す。
1H NMR(δ CDCl3):
7.30〜7.54ppm(m,12H,C6H6)
1.49ppm(m,6H,C2H5)
0.90ppm(m,9H,C2H5)
UV−Vis: 261nm(Ph)
以上の測定結果から、この化合物が前記一般式(b5)の構造を有することを確認した。
The result of the instrumental analysis of the obtained terphenyl (b5) is shown.
1 H NMR (δ CDCl 3 ):
7.30~7.54ppm (m, 12H, C 6 H 6)
1.49 ppm (m, 6H, C 2 H 5 )
0.90 ppm (m, 9H, C 2 H 5 )
UV-Vis: 261 nm (Ph)
From the above measurement results, it was confirmed that this compound had the structure of the general formula (b5).
<合成例4:前記一般式(b8)で表されるジシリル化ターフェニル(以下、ターフェニル(b8)という)の合成>
1リットルガラスフラスコに、乾燥窒素気流下で、1当量のターフェニル、1当量のトリ−t−ブトキシブロモシラン、クロロホルム混合溶液300mlを仕込み、1当量のt−ブチルリチウムを−78℃にて滴下漏斗から12時間かけて滴下し、滴下終了後一度室温まで温めてから、−190℃に再度冷却した。反応溶液を蒸留して、トリ−t−ブトキシシリル化したターフェニルの無色液体を留分として得た。 A 1-liter glass flask was charged with 1 equivalent of terphenyl, 1 equivalent of tri-t-butoxybromosilane, and 300 ml of chloroform mixed solution under a dry nitrogen stream, and 1 equivalent of t-butyllithium was added dropwise at -78 ° C. The solution was dropped from the funnel over 12 hours, and after completion of the dropping, the mixture was once warmed to room temperature and then cooled again to -190 ° C. The reaction solution was distilled to obtain a tri-t-butoxysilylated terphenyl colorless liquid as a fraction.
得られたトリ−t−ブトキシシリル化したターフェニルをトルエン溶媒中に溶かし、0℃で一当量のt−ブチルリチウムを10時間かけて滴下した。滴下終了後、室温にて12時間攪拌を行い、サスペンションを得た。サスペンションを1当量のテトラクロロシランを混合したトルエン溶液中に−80℃で10時間かけて滴下した。滴下終了後、冷却バスからフラスコをはずして、さらに6時間攪拌を行った。
沈殿物である塩化リチウムをろ過により除去した後、減圧ろ過によりターフェニル(b8)を得た。
The obtained tri-t-butoxysilylated terphenyl was dissolved in a toluene solvent, and 1 equivalent of t-butyllithium was added dropwise at 0 ° C. over 10 hours. After completion of dropping, the mixture was stirred at room temperature for 12 hours to obtain a suspension. The suspension was dropped into a toluene solution mixed with 1 equivalent of tetrachlorosilane at −80 ° C. over 10 hours. After completion of dropping, the flask was removed from the cooling bath, and stirring was further performed for 6 hours.
After removing lithium chloride as a precipitate by filtration, terphenyl (b8) was obtained by filtration under reduced pressure.
得られたターフェニル(b8)の機器分析の結果を示す。
1H NMR(δ CDCl3):
7.30〜7.54ppm(m,12H,C6H6)
3.83ppm(m,6H,C2H5)
1.32ppm(m,6H,OC4H9)
1.22ppm(m,9H,C2H5)
UV−Vis: 259nm(Ph)
以上の測定結果から、この化合物が前記一般式(b8)の構造を有することを確認した。
The result of the instrumental analysis of the obtained terphenyl (b8) is shown.
1 H NMR (δ CDCl 3 ):
7.30~7.54ppm (m, 12H, C 6 H 6)
3.83 ppm (m, 6H, C 2 H 5 )
1.32 ppm (m, 6H, OC 4 H 9 )
1.22 ppm (m, 9H, C 2 H 5 )
UV-Vis: 259 nm (Ph)
From the above measurement results, it was confirmed that this compound had the structure of the general formula (b8).
<実施例3:ターフェニル(b5)の単分子膜およびターフェニル(b8)の単分子膜からなる2層累積化膜の製造>
Siウエハー、石英ガラスの(過酸化水素水/硫酸)混合溶液中への浸漬かつ紫外光照射により親水化処理を施し、純水でよく洗浄したものを基板として、成膜を行った。
ターフェニル(b5)の0.2mMトルエン溶液をpH=7、水温40℃の水面上に展開し、トリクロロシリル基における塩素原子の脱離に伴う基板表面のシラノール基への吸着反応をLB法で行い、ターフェニル(b5)の単分子膜を調製した。調製した膜を有機溶媒を用いて洗浄し、乾燥させた。ターフェニル(b5)単分子膜の原子間力顕微鏡(AFM)観察を行い、表面形状の確認、膜の力学的切削による基板/膜の高低差の確認を行い、ターフェニル(b5)単分子膜が作製できていることが判明した。また、紫外可視吸収スペクトル測定では、ターフェニルのπ−π*遷移に帰属される吸収が290nmに観測され、単分子膜はターフェニル(b5)により形成されていることを確認した。
<Example 3: Production of two-layer cumulative film comprising a monomolecular film of terphenyl (b5) and a monomolecular film of terphenyl (b8)>
Films were formed using a substrate that had been subjected to hydrophilization treatment by immersion in a mixed solution of Si wafer and quartz glass (hydrogen peroxide solution / sulfuric acid) and irradiation with ultraviolet light, and thoroughly washed with pure water.
A 0.2 mM toluene solution of terphenyl (b5) was developed on the water surface at pH = 7 and water temperature of 40 ° C., and the adsorption reaction to the silanol group on the substrate surface accompanying the elimination of the chlorine atom in the trichlorosilyl group was determined by the LB method. Then, a monomolecular film of terphenyl (b5) was prepared. The prepared membrane was washed with an organic solvent and dried. Observation of terphenyl (b5) monomolecular film by atomic force microscope (AFM), confirmation of surface shape, substrate / film height difference by mechanical cutting of film, terphenyl (b5) monomolecular film Was found to be made. Further, in the UV-visible absorption spectrum measurement, absorption attributed to the π-π * transition of terphenyl was observed at 290 nm, and it was confirmed that the monomolecular film was formed of terphenyl (b5).
次に、ターフェニル(b8)の0.2mMトルエン溶液をpH=4、水温40℃の水面上に展開し、LB法によって、上記プロセスで調製したターフェニル(b5)の単分子膜上に成膜し、図5(A)に示すようなシラノール結合を介した累積膜を作製した。 Next, a 0.2 mM toluene solution of terphenyl (b8) was developed on the water surface at pH = 4 and water temperature of 40 ° C., and formed on the monomolecular film of terphenyl (b5) prepared in the above process by the LB method. Then, a cumulative film was formed through silanol bonds as shown in FIG.
実施例1と同様の方法で原子間力顕微鏡(AFM)観察による膜表面形態観察を50μmサイズで行ったところ、50μmサイズで膜は均一に形成されていた。また、膜を力学的処理により切削したところ、膜厚はそれぞれの分子長の和に相当する4nm程度であった。このことから、膜厚の均一な2層膜が調製できていることが判った。 When film surface morphology observation by atomic force microscope (AFM) observation was performed at 50 μm size in the same manner as in Example 1, the film was uniformly formed at 50 μm size. Further, when the film was cut by mechanical treatment, the film thickness was about 4 nm corresponding to the sum of the respective molecular lengths. From this, it was found that a two-layer film having a uniform film thickness was prepared.
実施例1と同様の方法による電子線回折(ED)測定に基づいて、2層累積膜の結晶構造を評価した。ED測定用試料は、SiO2を蒸着させたホルムバール膜を基板として用いて行った。その結果、2層累積膜において、フェニレン部の結晶構造に起因する回折スポットが観測された。このことは、ターフェニル(b5)および(b8)のいずれもそれぞれの単分子膜は高い秩序性をもつ結晶配列を独立に形成していることを表している。 Based on the electron diffraction (ED) measurement by the same method as in Example 1, the crystal structure of the two-layer cumulative film was evaluated. The sample for ED measurement was performed using a form bar film on which SiO 2 was deposited as a substrate. As a result, a diffraction spot due to the crystal structure of the phenylene portion was observed in the two-layer cumulative film. This indicates that both monolayers of terphenyls (b5) and (b8) independently form crystal sequences having high order.
<実施例4:有機薄膜トランジスタの作製及び電気特性の評価>
図9有機薄膜トランジスタを作製した。
まずシリコン基板25上にクロム/金を蒸着し、ゲート電極24を作製した。次に、化学気相吸着法により酸化シリコン膜によるゲート絶縁膜23を堆積した。さらに、クロム/金をマスクをかけて蒸着し、ソース電極21及びドレイン電極22を作製した。
作製した電極付の基板に対して紫外光照射を行い、ゲート絶縁膜23表面に親水化処理を施した。得られた基板を用いたこと以外、実施例3と同様の方法により、ターフェニル(b5)および(b8)の単分子膜からなる2層累積化膜を調製し、図9に示す有機薄膜トランジスタを得た。
トランジスタの電気特性を評価するために、電界効果移動度およびオン/オフ比を測定した。種々の負のゲート電圧を印加しながらソース/ドレイン間の電圧を変化させて流れる電流量を(4155A;HP社製)計測した。その結果、電界効果移動度は約4x10−2cm2V−1s−1であり、またオン/オフ比は5桁程度であることが判明した。以上の結果から、種類の異なるπ電子共役系有機化合物を用いた単分子累積膜は、膜の均一性、配向性、結晶性さらには電気特性の向上の効果が認められた。
<Example 4: Preparation of organic thin film transistor and evaluation of electrical characteristics>
FIG. 9 An organic thin film transistor was produced.
First, chromium / gold was vapor-deposited on the
The produced substrate with electrodes was irradiated with ultraviolet light, and the surface of the
In order to evaluate the electrical characteristics of the transistor, field effect mobility and on / off ratio were measured. The amount of current flowing by changing the voltage between the source / drain while applying various negative gate voltages (4155A; manufactured by HP) was measured. As a result, it was found that the field effect mobility was about 4 × 10 −2 cm 2 V −1 s −1 and the on / off ratio was about 5 digits. From the above results, it was confirmed that the monomolecular cumulative film using different types of π-electron conjugated organic compounds has the effect of improving the uniformity, orientation, crystallinity, and electrical characteristics of the film.
<比較例1>
ターフェニル(b5)およびターフェニル(b8)の代わりにターフェニリルトリエトキシシランを用いたこと以外、実施例4と同様の方法でトランジスタを作製した。
得られたトランジスタの電気特性を実施例4と同様の方法で評価した。その結果、電界効果移動度は約1x10−2cm2V−1s−1であり、またオン/オフ比は4桁程度であり、実施例4のトランジスタが電気特性に著しく優れていることが判った。
<Comparative Example 1>
A transistor was produced in the same manner as in Example 4 except that terphenylyltriethoxysilane was used in place of terphenyl (b5) and terphenyl (b8).
The electrical characteristics of the obtained transistor were evaluated in the same manner as in Example 4. As a result, the field effect mobility is about 1 × 10 −2 cm 2 V −1 s −1 , the on / off ratio is about 4 digits, and the transistor of Example 4 is remarkably excellent in electrical characteristics. understood.
実験例3
<合成例5:前記一般式(c1)で表されるジシリル化アントラセン(以下、アントラセン(c1)という)の合成>
<Synthesis Example 5: Synthesis of disilylated anthracene represented by general formula (c1) (hereinafter referred to as anthracene (c1))>
アントラセン(120−12−7)は東京化成より入手した。 Anthracene (120-12-7) was obtained from Tokyo Kasei.
シランカップリング反応
窒素雰囲気下、100mlナスフラスコに四塩化炭素50mLに溶解させた1当量のアントラセン及びNBSを加え、AIBN存在下で1.5時間反応させた。未反応物及びHBrをろ過により除去した後、カラムクロマトグラフを用いて、1箇所のみがブロモ化された貯留物を取り出し、カラムクロマトグラフにより精製することにより、表記の1−ブロモアントラセンを得た。
1当量の1−ブロモアントラセンを30mlのTHF溶液に溶解させて、1当量のn−BuLiを0℃にて10時間かけてゆっくり滴下した。混合溶液を4時間攪拌した後に、室温まで温めた。反応生成してできた深緑溶液を、室温にて1当量のテトラエトキシシランのTHF溶液に滴下し、15時間還流し混合させた。次いで、反応液を減圧ろ過して、未反応のテトラエトキシシラン、n−BuLiを除去した後、1−トリエトキシシリルアントラセンを得た。
1当量の1−トリエトキシシリルアントラセンを30mlのTHF溶液に溶解させて、1当量のn−BuLiを0℃にて10時間かけてゆっくり滴下した。混合溶液を4時間攪拌した後に、室温まで温めた。反応生成してできた深緑溶液を、室温にて1当量のテトラクロロシランのTHF溶液に滴下し、15時間還流し混合させた。次いで、反応液を減圧ろ過して、未反応のテトラエトキシシラン、n−BuLiを除去した後、カラムクロマトグラフにより精製することにより、アントラセン(c1)を得た。
Silane coupling reaction Under a nitrogen atmosphere, 1 equivalent of anthracene and NBS dissolved in 50 mL of carbon tetrachloride was added to a 100 ml eggplant flask and allowed to react for 1.5 hours in the presence of AIBN. After removing unreacted substances and HBr by filtration, the column 1-bromoanthracene was obtained by using a column chromatograph to take out a reservoir brominated at only one site and purifying the column chromatograph. .
1 equivalent of 1-bromoanthracene was dissolved in 30 ml of THF solution, and 1 equivalent of n-BuLi was slowly added dropwise at 0 ° C. over 10 hours. The mixed solution was stirred for 4 hours and then warmed to room temperature. The dark green solution produced by the reaction was dropped into 1 equivalent of tetraethoxysilane in THF at room temperature and refluxed and mixed for 15 hours. Next, the reaction solution was filtered under reduced pressure to remove unreacted tetraethoxysilane and n-BuLi, and then 1-triethoxysilylanthracene was obtained.
1 equivalent of 1-triethoxysilylanthracene was dissolved in 30 ml of THF solution, and 1 equivalent of n-BuLi was slowly added dropwise at 0 ° C. over 10 hours. The mixed solution was stirred for 4 hours and then warmed to room temperature. The dark green solution produced by the reaction was dropped into 1 equivalent of a tetrachlorosilane solution in THF at room temperature, and the mixture was refluxed for 15 hours and mixed. Next, the reaction solution was filtered under reduced pressure to remove unreacted tetraethoxysilane and n-BuLi, and then purified by column chromatography to obtain anthracene (c1).
得られたアントラセン(c1)の機器分析の結果を示す。
1H NMR(δ CDCl3):
8.30〜7.40ppm(m,8H,C14H8)
3.83ppm(m,6H,OC2H5)
1.22ppm(m,9H,OC2H5)
UV−Vis: 375nm(C14H8)
以上の測定結果から、この化合物が前記一般式(c1)の構造を有することを確認した。
The result of the instrumental analysis of the obtained anthracene (c1) is shown.
1 H NMR (δ CDCl 3 ):
8.30~7.40ppm (m, 8H, C 14 H 8)
3.83 ppm (m, 6H, OC 2 H 5 )
1.22 ppm (m, 9H, OC 2 H 5 )
UV-Vis: 375 nm (C 14 H 8 )
From the above measurement results, it was confirmed that this compound had the structure of the general formula (c1).
<合成例6:一般式(f1)で表されるフッ化ターチオフェン(以下、フルオロターチオフェン(f1)という)の合成>
全ての反応は窒素雰囲気下で行った。1当量のチオフェンを触媒として亜鉛を混合した酢酸溶液中で、臭素と還流させながら混合させることで、2,3,4,5−テトラブロモチオフェンを調製した。次に、マグネシウムとトリメチルクロロシランを(2,3,4,5−テトラブロモチオフェン:マグネシウム:トリメチルクロロシラン=1:2.5:2.5)のモル比となる量のTHF溶液中に混合し、4日間超音波洗浄をかけた。得られた2,5−ジトリメチルシリル−3,4−ジブロモチオフェンをフェニルスルフォニルフッ化窒素((PhSO2)2NF)、n−ブチルリチウムのTHF溶液中に混合させて、−78℃にて反応させ、ジブロモをジフルオロ化した。反応後の生成物を、80℃の酢酸中、NBSで処理し、トリメチルシリル基のブロモ化を行った(中間体1)。また、2,5−ジトリメチルシリル−3,4−ジフルオロチオフェンを−78℃にて、n−ブチルリチウム、(PhSO2)2NF、トリブチル塩化スズ(Bu3SnCl)で処理して2位のトリメチルシリル基のフルオロ化反応を行い、2,3,4−トリフルオロ−5−トリメチルシリル−チオフェン(中間体2)を得た。中間体1および2をPdCl2(PPh3)2およびDMFからなる混合液中、80℃で反応させて、2−トリメチルシリル−3,4,7,8,9−ペンタフルオロ−ビチオフェンを得た。得られた生成物と中間体1を前記と同様の反応機構で反応させることで、両末端がトリメチルシリル基となるターチオフェンを合成した。このターチオフェンを、THF溶液中に混合させて、ドライアイス/アセトンバスで−78℃まで冷却した後、トリフルオロアセテート銀を2当量滴下して、溶解させるために5分間攪拌を行った。次に、2当量のヨウ素を溶解させたTHF溶液を滴下してから、8時間、−78℃で攪拌し、室温まで温めて、2−トリメチルシリル−3,4,7,8,11,12−セクシフルオロ−13−ヨード−ターチオフェンを得た。得られた生成物1当量を30mlのTHF溶液に溶解させて、1当量のn−BuLiを0℃にて10時間かけてゆっくり滴下した。混合溶液を4時間攪拌した後に、室温まで温めた。反応生成してできた溶液を、室温にて1当量のテトラクロロシランのTHF溶液に滴下し、15時間還流し混合させた。次いで、反応液を減圧ろ過して、未反応の2−トリメチルシリル−3,4,7,8,11,12−セクシフルオロ−13−ヨード−ターチオフェン、n−BuLiを除去した後、カラムクロマトグラフにより精製することにより、フルオロターチオフェン(f1)を得た。
All reactions were performed under a nitrogen atmosphere. 2,3,4,5-tetrabromothiophene was prepared by mixing with bromine in an acetic acid solution mixed with zinc using 1 equivalent of thiophene as a catalyst while refluxing. Next, magnesium and trimethylchlorosilane are mixed in a THF solution in an amount that gives a molar ratio of (2,3,4,5-tetrabromothiophene: magnesium: trimethylchlorosilane = 1: 2.5: 2.5), Ultrasonic cleaning was applied for 4 days. The obtained 2,5-ditrimethylsilyl-3,4-dibromothiophene was mixed in phenylsulfonyl nitrogen fluoride ((PhSO 2 ) 2 NF) and n-butyllithium in THF and reacted at −78 ° C. And dibromo was difluorinated. The product after the reaction was treated with NBS in acetic acid at 80 ° C. to perform bromination of the trimethylsilyl group (intermediate 1). In addition, 2,5-ditrimethylsilyl-3,4-difluorothiophene was treated with n-butyllithium, (PhSO 2 ) 2 NF, and tributyltin chloride (Bu 3 SnCl) at −78 ° C. to give trimethylsilyl at the 2-position. A group fluorination reaction was performed to obtain 2,3,4-trifluoro-5-trimethylsilyl-thiophene (intermediate 2).
得られたフルオロターチオフェン(f1)の機器分析の結果を示す。
1H NMR(δ CDCl3):
1.49ppm(m,9H,CH3)
UV−Vis: 365nm(C4H2S)
以上の測定結果から、この化合物が前記一般式(f1)の構造を有することを確認した。
The result of the instrumental analysis of the obtained fluoroterthiophene (f1) is shown.
1 H NMR (δ CDCl 3 ):
1.49 ppm (m, 9H, CH 3 )
UV-Vis: 365nm (C 4 H 2 S)
From the above measurement results, it was confirmed that this compound had the structure of the general formula (f1).
<実施例5:アントラセン(c1)の単分子膜およびフルオロターチオフェン(f1)の単分子膜からなる2層累積化膜の製造>
Siウエハー、石英ガラスの(過酸化水素水/硫酸)混合溶液中への浸漬かつ紫外光照射により親水化処理を施し、純水でよく洗浄したものを基板として、成膜を行った。
アントラセン(c1)の0.2mMトルエン溶液をpH=7、水温40℃の水面上に展開し、トリクロロシリル基における塩素原子の脱離に伴う基板表面のシラノール基への吸着反応をLB法で行い、アントラセン(c1)の単分子膜を調製した。調製した膜を有機溶媒を用いて洗浄し、乾燥させた。アントラセン(c1)単分子膜の原子間力顕微鏡(AFM)観察を行い、表面形状の確認、膜の力学的切削による基板/膜の高低差の確認を行い、アントラセン(c1)単分子膜が作製できていることが判明した。また、紫外可視吸収スペクトル測定では、アントラセンのπ−π*遷移に帰属される吸収が370nmに観測され、単分子膜はアントラセン(c1)により形成されていることを確認した。
<Example 5: Manufacture of a bilayer cumulative film composed of a monomolecular film of anthracene (c1) and a monomolecular film of fluoroterthiophene (f1)>
Films were formed using a substrate that had been subjected to hydrophilization treatment by immersion in a mixed solution of Si wafer and quartz glass (hydrogen peroxide solution / sulfuric acid) and irradiation with ultraviolet light, and thoroughly washed with pure water.
A 0.2 mM toluene solution of anthracene (c1) is developed on the water surface at pH = 7 and water temperature of 40 ° C., and the adsorption reaction to the silanol group on the substrate surface accompanying the elimination of the chlorine atom in the trichlorosilyl group is performed by the LB method A monomolecular film of anthracene (c1) was prepared. The prepared membrane was washed with an organic solvent and dried. Observation of anthracene (c1) monomolecular film by atomic force microscope (AFM), confirmation of surface shape, confirmation of substrate / film height difference by mechanical cutting of film, and production of anthracene (c1) monomolecular film It turned out that it was made. Further, in the UV-visible absorption spectrum measurement, absorption attributed to the π-π * transition of anthracene was observed at 370 nm, and it was confirmed that the monomolecular film was formed of anthracene (c1).
次に、フルオロターチオフェン(f1)の0.2mMトルエン溶液をpH=4、水温40℃の水面上に展開し、LB法によって、上記プロセスで調製したアントラセン(c1)の単分子膜上に成膜し、図5(B)に示すようなシラノール結合を介した累積膜を作製した。 Next, a 0.2 mM toluene solution of fluoroterthiophene (f1) was developed on the water surface at pH = 4 and water temperature of 40 ° C., and formed on the monomolecular film of anthracene (c1) prepared in the above process by the LB method. A cumulative film was formed through silanol bonds as shown in FIG.
実施例1と同様の方法で原子間力顕微鏡(AFM)観察による膜表面形態観察を50μmサイズで行ったところ、50μmサイズで膜は均一に形成されていた。また、膜を力学的処理により切削したところ、膜厚はそれぞれの分子長の和に相当する3.5nm程度であった。このことから、膜厚の均一な2層膜が調製できていることが判った。 When film surface morphology observation by atomic force microscope (AFM) observation was performed at 50 μm size in the same manner as in Example 1, the film was uniformly formed at 50 μm size. Further, when the film was cut by mechanical treatment, the film thickness was about 3.5 nm corresponding to the sum of the respective molecular lengths. From this, it was found that a two-layer film having a uniform film thickness was prepared.
実施例1と同様の方法による電子線回折(ED)測定に基づいて、2層累積膜の結晶構造を評価した。ED測定用試料は、SiO2を蒸着させたホルムバール膜を基板として用いて行った。その結果、2層累積膜において、アントラセン部およびターチオフェン部の結晶構造に起因する回折スポットが観測された。このことは、アントラセン(c1)およびフルオロターチオフェン(f1)のいずれもそれぞれの単分子膜は高い秩序性をもつ結晶配列を独立に形成していることを表している。 Based on the electron diffraction (ED) measurement by the same method as in Example 1, the crystal structure of the two-layer cumulative film was evaluated. The sample for ED measurement was performed using a form bar film on which SiO 2 was deposited as a substrate. As a result, diffraction spots due to the crystal structures of the anthracene part and the terthiophene part were observed in the two-layer cumulative film. This indicates that each monomolecular film of anthracene (c1) and fluoroterthiophene (f1) independently forms a highly ordered crystal arrangement.
<実施例6:有機光電変換素子の作製及び電気特性の評価>
ITO基板を陽極として用いて、基板表面を紫外光照射によって親水化処理したものに、実施例5で示したアントラセン(c1)およびフルオロターチオフェン(f1)の単分子の累積膜をITO基板にp型のアントラセン(c1)、その膜上にn−型のフルオロターチオフェン(f1)膜が吸着するようにLB法により調製した。このITOガラス/(c1)/(f1)膜の上に金を10−3の真空度で40nmの厚さ蒸着し、有効面積20x10mm2の光電変換素子セルを得た。得られた光電変換素子セルのITO電極側から500Wのキセノンランプの光を照射して、開放電圧Vo、短絡電流Io、フィルファクタFFおよび光電変換効率μを測定した。結果、それぞれの値は80mV、44μA/cm2、0.45及び4.3%であった。
<Example 6: Preparation of organic photoelectric conversion element and evaluation of electrical characteristics>
Using an ITO substrate as an anode and hydrophilizing the surface of the substrate by ultraviolet light irradiation, the monolayer cumulative film of anthracene (c1) and fluoroterthiophene (f1) shown in Example 5 is applied to the ITO substrate. Type anthracene (c1) and an n-type fluoroterthiophene (f1) film were adsorbed on the film by the LB method. On this ITO glass / (c1) / (f1) film, gold was deposited to a thickness of 40 nm at a vacuum degree of 10 −3 to obtain a photoelectric conversion element cell having an effective area of 20 × 10 mm 2 . The photoelectric conversion element cell was irradiated with light of a 500 W xenon lamp from the ITO electrode side, and the open circuit voltage Vo, the short circuit current Io, the fill factor FF, and the photoelectric conversion efficiency μ were measured. As a result, the respective values were 80 mV, 44 μA / cm 2 , 0.45, and 4.3%.
<比較例2>
アントラセン(c1)の代わりに末端シリル基を有していないアントラセンを、フルオロターチオフェン(f1)の代わりに末端シリル基を有していないフルオロターチオフェンを用いたこと以外、実施例6と同様の方法で光電変換素子を作製した。
得られた光電変換素子の電気特性を実施例6と同様の方法で評価した。その結果、Voc、Io、FF及びμの値はそれぞれ、45mV、13μA/cm2、0.13および1.1%であり、実施例6の光電変換素子が電気特定に著しく優れていることが判った。
<Comparative example 2>
The same as Example 6 except that anthracene having no terminal silyl group was used instead of anthracene (c1), and fluoroterthiophene having no terminal silyl group was used instead of fluoroterthiophene (f1). The photoelectric conversion element was produced by the method.
The electrical characteristics of the obtained photoelectric conversion element were evaluated in the same manner as in Example 6. As a result, the values of Voc, Io, FF and μ are 45 mV, 13 μA / cm 2 , 0.13 and 1.1%, respectively, and the photoelectric conversion element of Example 6 is remarkably excellent in electrical specification. understood.
実験例4
<合成例7:前記一般式(d1)で表されるジシリル化アルカン(以下、アルカン(d1)という)の合成>
<Synthesis Example 7: Synthesis of disilylated alkane represented by general formula (d1) (hereinafter referred to as alkane (d1))>
オクタデシルトリエトキシシラン(OTES、CAS No.7399−00−0)を東京化成より購入した。購入したOTESを用いてアルカン(d1)を合成した。
OTESをトルエン溶媒中に溶かし、0℃で1当量のt−ブチルリチウムを10時間かけて滴下した。滴下終了後、室温にて12時間攪拌を行い、サスペンションを得た。サスペンションを1当量のテトラクロロシランを混合したトルエン溶液中に−78℃で10時間かけて滴下した。滴下終了後、冷却バスからフラスコをはずして、更に6時間攪拌を行った。
沈殿物である塩化リチウムをろ過により除去した後、減圧ろ過によりアルカン(d1)を得た。
Octadecyltriethoxysilane (OTES, CAS No. 7399-00-0) was purchased from Tokyo Chemical Industry. Alkane (d1) was synthesized using the purchased OTES.
OTES was dissolved in a toluene solvent, and 1 equivalent of t-butyllithium was added dropwise at 0 ° C. over 10 hours. After completion of dropping, the mixture was stirred at room temperature for 12 hours to obtain a suspension. The suspension was dropped into a toluene solution mixed with 1 equivalent of tetrachlorosilane at −78 ° C. over 10 hours. After completion of dropping, the flask was removed from the cooling bath, and stirring was further performed for 6 hours.
After removing lithium chloride as a precipitate by filtration, alkane (d1) was obtained by filtration under reduced pressure.
得られたアルカン(d1)の機器分析の結果を示す。
1H NMR(δ CDCl3):
3.83ppm(m,6H,C2H5)
1.3ppm(m,4H,C18H36)
1.29ppm(m,30H,C18H36)
1.22ppm(m,9H,C2H5)
0.58ppm(m,2H,C18H36)
以上の測定結果から、この化合物が前記一般式(d1)の構造を有することを確認した。
同様の方法を用いて炭素数19〜36の長鎖アルカンのジシリル化が行えることを確認した。
The result of the instrumental analysis of the obtained alkane (d1) is shown.
1 H NMR (δ CDCl 3 ):
3.83 ppm (m, 6H, C 2 H 5 )
1.3 ppm (m, 4H, C 18 H 36 )
1.29 ppm (m, 30 H, C 18 H 36 )
1.22 ppm (m, 9H, C 2 H 5 )
0.58 ppm (m, 2H, C 18 H 36 )
From the above measurement results, it was confirmed that this compound had the structure of the general formula (d1).
It was confirmed that disilylation of a 19-36 long-chain alkane can be performed using the same method.
<実施例7:アルカン(d1)の単分子膜の形成>
Siウエハー、石英ガラスの(過酸化水素水/硫酸)混合溶液中への浸漬かつ紫外光照射により親水化処理を施し、純水でよく洗浄したものを基板として、成膜を行った。
アルカン(d1)の0.2mMトルエン溶液をpH=2、水温24℃の水面上に展開し、トリクロロシリル基における塩素原子の脱離に伴う基板表面のシラノール基への吸着反応をLB法で行い、アルカン(d1)の単分子膜を調製した。調製した膜を有機溶媒を用いて洗浄し、乾燥させた。アルカン(d1)単分子膜の原子間力顕微鏡(AFM)観察を行い、表面形状の確認、膜の力学的切削による基板/膜の高低差の確認を行い、アルカン(d1)単分子膜が作製できていることが判明した。また、赤外吸収スペクトル測定では、アルカン(d1)のCH2の対称・逆対称伸縮振動に帰属される吸収が2890及び2920cm−1にそれぞれ観測され、単分子膜はアルカン(d1)により形成されていることを確認した。
<Example 7: Formation of monomolecular film of alkane (d1)>
Films were formed using a substrate that had been subjected to hydrophilization treatment by immersion in a mixed solution of Si wafer and quartz glass (hydrogen peroxide solution / sulfuric acid) and irradiation with ultraviolet light, and thoroughly washed with pure water.
A 0.2 mM toluene solution of alkane (d1) is developed on the water surface at pH = 2 and a water temperature of 24 ° C., and the adsorption reaction to the silanol group on the substrate surface accompanying the elimination of the chlorine atom in the trichlorosilyl group is performed by the LB method. A monomolecular film of alkane (d1) was prepared. The prepared membrane was washed with an organic solvent and dried. Atomic force microscope (AFM) observation of alkane (d1) monomolecular film, confirmation of surface shape, confirmation of substrate / film height difference by mechanical cutting of film, and preparation of alkane (d1) monomolecular film It turned out that it was made. Further, in the infrared absorption spectrum measurement, absorptions attributed to the CH 2 symmetric / reverse symmetric stretching vibrations of alkane (d1) are observed at 2890 and 2920 cm −1 , respectively, and the monomolecular film is formed of alkane (d1). Confirmed that.
次に、フルオロターチオフェン(f1)の0.2mMトルエン溶液をpH=4、水温40℃の水面上に展開し、LB法によって、上記プロセスで調製したアルカン(d1)の単分子膜上に成膜し、図5(B)に示すようなシラノール結合を介した累積膜を作製した。 Next, a 0.2 mM toluene solution of fluoroterthiophene (f1) was developed on the water surface at pH = 4 and water temperature of 40 ° C., and formed on the monomolecular film of alkane (d1) prepared in the above process by the LB method. A cumulative film was formed through silanol bonds as shown in FIG.
実施例1と同様の方法で原子間力顕微鏡(AFM)観察による膜表面形態観察を50μmサイズで行ったところ、50μmサイズで膜は均一に形成されていた。また、膜を力学的処理により切削したところ、膜厚はそれぞれの分子長の和に相当する4.8nm程度であった。このことから、膜厚の均一な2層膜が調製できていることが判った。 When film surface morphology observation by atomic force microscope (AFM) observation was performed at 50 μm size in the same manner as in Example 1, the film was uniformly formed at 50 μm size. Further, when the film was cut by mechanical treatment, the film thickness was about 4.8 nm corresponding to the sum of the respective molecular lengths. From this, it was found that a two-layer film having a uniform film thickness was prepared.
実施例1と同様の方法による電子線回折(ED)測定に基づいて、2層累積膜の結晶構造を評価した。ED測定用試料は、SiO2を蒸着させたホルムバール膜を基板として用いて行った。その結果、2層累積膜において、アルカン部およびターチオフェン部の結晶構造に起因する回折スポットが観測された。このことは、アルカン(d1)およびフルオロターチオフェン(f1)のいずれもそれぞれの単分子膜は高い秩序性をもつ結晶配列を独立に形成していることを表している。 Based on the electron diffraction (ED) measurement by the same method as in Example 1, the crystal structure of the two-layer cumulative film was evaluated. The sample for ED measurement was performed using a form bar film on which SiO 2 was deposited as a substrate. As a result, diffraction spots due to the crystal structures of the alkane part and the terthiophene part were observed in the two-layer cumulative film. This indicates that each monolayer of alkane (d1) and fluoroterthiophene (f1) independently forms a highly ordered crystal arrangement.
実験例5
<合成例8:グリニヤール法によるトリクロロシラン−ターチオフェン−トリエトキシシラン式(a2)の製造>
攪拌機、還流冷却器、温度計、滴下漏斗を備えた1リットルガラスフラスコに、乾燥アルゴン気流下で金属マグネシウム2モル、トルエン溶液300mlを仕込み、ターチオフェン0.5モルを10度程度にて滴下漏斗から12時間かけて滴下し、滴下終了後15℃にて4時間熟成させ、グリニヤール試薬を調整した。
Experimental Example 5
<Synthesis Example 8: Production of trichlorosilane-terthiophene-triethoxysilane formula (a2) by Grignard method>
A 1 liter glass flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer, and dropping funnel was charged with 2 mol of metallic magnesium and 300 ml of toluene solution in a dry argon stream, and 0.5 mol of terthiophene was added at about 10 degrees. The mixture was added dropwise over 12 hours, and after completion of the addition, the mixture was aged at 15 ° C. for 4 hours to prepare a Grignard reagent.
還流冷却器、攪拌機、温度計、滴下漏斗を備えたフラスコに乾燥アルゴン気流下で、金属マグネシウム2モル、トルエン溶液300ml、テトラエトキシシラン2.0モルそれぞれを仕込み、得られたグリニヤール試薬を0℃に冷却しながら滴下漏斗から12時間かけて滴下し、滴下終了後室温にて2時間熟成させた。反応液を減圧ろ過して、マグネシウムを除去した後、トリエトキシシラン−ターチオフェンを得た。 In a flask equipped with a reflux condenser, a stirrer, a thermometer, and a dropping funnel, 2 mol of metal magnesium, 300 ml of toluene solution, and 2.0 mol of tetraethoxysilane were charged in a dry argon stream, and the obtained Grignard reagent was added at 0 ° C. The mixture was dropped from the dropping funnel over 12 hours while cooling, and aged at room temperature for 2 hours after completion of the dropping. The reaction solution was filtered under reduced pressure to remove magnesium, and then triethoxysilane-terthiophene was obtained.
攪拌機、還流冷却器、温度計、滴下漏斗を備えた1リットルガラスフラスコに、乾燥アルゴン気流下でテトラクロロシラン2.0モル、テトラヒドロフラン(THF)300mlを仕込み、内温25℃以下にて、得られたトリエトキシシラン−ターチオフェンを2時間かけて滴下し、滴下終了後30度にて1時間熟成を行った。次いで、反応液を減圧にてろ過し、塩化マグネシウムを除去した後、ろ液よりTHF及び未反応のテトラクロロシランをストリップし、この溶液を蒸留して、式(a2)で示される化合物を得た。 A 1 liter glass flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer, and dropping funnel was charged with 2.0 mol of tetrachlorosilane and 300 ml of tetrahydrofuran (THF) under a dry argon stream, and the internal temperature was 25 ° C. or lower. Triethoxysilane-terthiophene was added dropwise over 2 hours, and aging was performed at 30 ° C. for 1 hour after completion of the addition. Next, the reaction solution was filtered under reduced pressure to remove magnesium chloride, and then THF and unreacted tetrachlorosilane were stripped from the filtrate, and this solution was distilled to obtain a compound represented by the formula (a2). .
得られた化合物の機器分析の結果を示す。
1H NMR(δ CDCl3): 7.63〜7.78ppm(m,C4H2S)
2.20ppm(m,C2H5)
以上の測定結果から、この化合物が式(a2)で表されるトリクロロシラン−ターチオフェン−トリエトキシシランであることを確認した。
本合成例は、上記第1の方法で合成を行った。
The result of the instrumental analysis of the obtained compound is shown.
1 H NMR (δ CDCl 3 ): 7.63-7.78 ppm (m, C 4 H 2 S)
2.20 ppm (m, C 2 H 5 )
From the above measurement results, it was confirmed that this compound was trichlorosilane-terthiophene-triethoxysilane represented by the formula (a2).
In this synthesis example, synthesis was performed by the first method.
実験例6
<合成例9:トリクロロシラン−ビフェニル−トリメトキシシラン式(b10)の製造>
1−ヨード−4−クロロビフェニルを攪拌機、還流冷却機、温度計、滴下漏斗を備えた1リットルガラスフラスコに、乾燥アルゴン気流下で金属リチウム2モル、THF300mlを仕込み、0.5モルを、内温−10℃にて12時間かけて滴下し、滴下終了後室温にて4時間かけて熟成させ、4−クロロ−ビフェニルリチウムを得た。
Experimental Example 6
<Synthesis Example 9: Production of trichlorosilane-biphenyl-trimethoxysilane formula (b10)>
In a 1 liter glass flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer, and dropping funnel, 1 mol of 1-iodo-4-chlorobiphenyl was charged with 2 mol of metallic lithium and 300 ml of THF under a dry argon stream, The mixture was added dropwise at a temperature of −10 ° C. over 12 hours. After completion of the addition, the mixture was aged at room temperature for 4 hours to obtain 4-chloro-biphenyllithium.
攪拌機、還流冷却機、温度計、滴下漏斗を備えた1リットルガラスフラスコに、乾燥アルゴン気流下でテトラクロロシラン3.0モル、THF300mlを仕込み、氷冷し、内温20℃以下にて、得られた4−クロロ−ビフェニルリチウムを2時間かけて滴下し、滴下終了後20℃にて反応させた。次いで、反応液を減圧ろ過し、未反応リチウムを除去した後、ろ液よりTHF及び未反応のテトラクロロシランを除き、1−トリクロロシラン−4−クロロビフェニルを得た。 A 1 liter glass flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer, and dropping funnel was charged with 3.0 mol of tetrachlorosilane and 300 ml of THF under a dry argon stream, cooled on ice, and obtained at an internal temperature of 20 ° C. or lower. 4-Chloro-biphenyllithium was added dropwise over 2 hours and reacted at 20 ° C. after completion of the dropwise addition. Next, the reaction solution was filtered under reduced pressure to remove unreacted lithium, and then THF and unreacted tetrachlorosilane were removed from the filtrate to obtain 1-trichlorosilane-4-chlorobiphenyl.
得られた1−トリクロロシラン−4−クロロビフェニルを再度グリニヤール試薬とするために、同様に金属マグネシウムを、内温10℃にて反応させて、1−トリクロロシラン−4−ビフェニルマグネシウムを合成し、テトラクロロシランと反応させることで式(b10)で示される化合物を得た。 In order to use the obtained 1-trichlorosilane-4-chlorobiphenyl again as a Grignard reagent, metal magnesium was similarly reacted at an internal temperature of 10 ° C. to synthesize 1-trichlorosilane-4-biphenylmagnesium, By reacting with tetrachlorosilane, a compound represented by the formula (b10) was obtained.
得られた化合物の機器分析の結果を示す。
IR: 1590(m),1490(m),1430(m),1120(m),700(s)cm−1(Si−Ph)
UV−Vis: 261nm(Ph)
以上の測定結果から、この化合物が式(b10)で表されるトリクロロシラン−ビフェニル−トリメトキシシランであることを確認した。
本合成例は、上記第2の方法で合成を行った。
The result of the instrumental analysis of the obtained compound is shown.
IR: 1590 (m), 1490 (m), 1430 (m), 1120 (m), 700 (s) cm −1 (Si—Ph)
UV-Vis: 261 nm (Ph)
From the above measurement results, it was confirmed that this compound was trichlorosilane-biphenyl-trimethoxysilane represented by the formula (b10).
In this synthesis example, the synthesis was performed by the second method.
実験例7
<合成例10:トリエトキシシラン−テトラセン−トリブトキシシラン式(c6)の合成>
攪拌機、還流冷却器、温度計、滴下漏斗を備えた1リットルガラスフラスコに、乾燥アルゴン気流下で金属マグネシウム2モル、クロロホルム溶液300mlを仕込み、テトラセン0.5モルを10℃程度にて滴下漏斗から12時間かけて滴下し、滴下終了後15℃にて4時間熟成させ、グリニヤール試薬を調整した。
Experimental Example 7
<Synthesis Example 10: Synthesis of triethoxysilane-tetracene-tributoxysilane formula (c6)>
A 1 liter glass flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer, and dropping funnel was charged with 2 mol of metallic magnesium and 300 ml of chloroform solution under a dry argon stream, and 0.5 mol of tetracene was added from the dropping funnel at about 10 ° C. The solution was added dropwise over 12 hours, and after completion of the addition, the mixture was aged at 15 ° C. for 4 hours to prepare a Grignard reagent.
攪拌機、還流冷却器、温度計、滴下漏斗を備えた1リットルガラスフラスコに、乾燥アルゴン気流下でテトラブトキシシラン2.0モル、THF300mlを仕込み、内温25℃以下にて、得られたグリニヤール試薬を2時間かけて滴下し、滴下終了後30℃にて1時間熟成を行った。次いで、反応液を減圧にてろ過し、塩化マグネシウムを除去した後、ろ液よりTHF及び未反応のテトラブトキシシランから、トリブトキシシラン−テトラセンを得た。 A 1 liter glass flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer, and dropping funnel was charged with 2.0 mol of tetrabutoxysilane and 300 ml of THF under a dry argon stream, and the resulting Grignard reagent was obtained at an internal temperature of 25 ° C. or less. Was dropped over 2 hours, and after completion of the dropping, aging was performed at 30 ° C. for 1 hour. Subsequently, after filtering the reaction liquid under reduced pressure and removing magnesium chloride, tributoxysilane-tetracene was obtained from THF and unreacted tetrabutoxysilane from the filtrate.
還流冷却器、攪拌機、温度計、滴下漏斗を備えたフラスコに乾燥アルゴン気流下で、金属マグネシウム2モル、トルエン溶液300mlを仕込み、得られたトリブトキシシラン−テトラセンを0℃に冷却しながら滴下漏斗から12時間かけて滴下し、滴下終了後室温にて2時間熟成させ、中間体を得た。2.0モルのテトラエトキシシラン、THF300mlを仕込み、10℃に冷却しながら、中間体を8時間かけて滴下した。混合物を4時間、10℃でかき混ぜた後室温に温め、更に2時間攪拌を行った。攪拌後、加水分解し、有機層を分離、水洗し、硫酸マグネシウム上で乾燥した。溶媒を留去し、残りをシリカゲルカラムで分離することにより式(c6)で示される化合物を得た。 A flask equipped with a reflux condenser, a stirrer, a thermometer, and a dropping funnel was charged with 2 mol of metallic magnesium and 300 ml of a toluene solution under a dry argon stream, and the dropping funnel was cooled while cooling the resulting tributoxysilane-tetracene to 0 ° C. To 12 hours, and after completion of the dropwise addition, the mixture was aged at room temperature for 2 hours to obtain an intermediate. 2.0 mol of tetraethoxysilane and 300 ml of THF were charged, and the intermediate was added dropwise over 8 hours while cooling to 10 ° C. The mixture was stirred for 4 hours at 10 ° C., then warmed to room temperature, and further stirred for 2 hours. After stirring, the mixture was hydrolyzed, and the organic layer was separated, washed with water, and dried over magnesium sulfate. The compound shown by Formula (c6) was obtained by distilling a solvent off and isolate | separating the remainder with a silica gel column.
得られた化合物の機器分析の結果を示す。
1H NMR(δ CDCl3): 2.20ppm(m,C2H5)
UV−Vis: 400−500nm(テトラセンp帯)、265nm(テトラセンβ帯)
以上の測定結果から、この化合物が式(c6)で表されるトリエトキシシラン−テトラセン−トリブトキシシランであることを確認した。テトラセン以外にもアントラセン、ペンタセン等の他のアセン系化合物においても同様の方法でケイ素化合物を製造できることを確認した。
本合成例は、上記第1の方法で合成を行った。
The result of the instrumental analysis of the obtained compound is shown.
1 H NMR (δ CDCl 3 ): 2.20 ppm (m, C 2 H 5 )
UV-Vis: 400-500 nm (tetracene p band), 265 nm (tetracene β band)
From the above measurement results, it was confirmed that this compound was triethoxysilane-tetracene-tributoxysilane represented by the formula (c6). In addition to tetracene, other acene compounds such as anthracene and pentacene were confirmed to be capable of producing silicon compounds by the same method.
In this synthesis example, synthesis was performed by the first method.
実験例8
<合成例11:n−トリオクチルシラン−クォーターチオフェンートリエトキシシラン式(a13)の製造>
攪拌機、還流冷却機、温度計、滴下漏斗を備えた1リットルガラスフラスコに、乾燥アルゴン気流下でTHF300ml、テトラエトキシシランを仕込み、実験例1と同様にして得たグリニヤール試薬を、内温0℃以下にて12時間かけて滴下し、滴下終了後室温にて4時間かけて熟成させ、トリエトキシシラン−クォーターチオフェンを得た。
Experimental Example 8
<Synthesis Example 11: Production of n-trioctylsilane-quarterthiophene-triethoxysilane formula (a13)>
A 1 liter glass flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer, and dropping funnel was charged with 300 ml of THF and tetraethoxysilane under a dry argon stream, and the Grignard reagent obtained in the same manner as in Experimental Example 1 had an internal temperature of 0 ° C. The solution was added dropwise over 12 hours, and after completion of the addition, the mixture was aged at room temperature for 4 hours to obtain triethoxysilane-quarterthiophene.
攪拌機、還流冷却機、温度計、滴下漏斗を備えた1リットルガラスフラスコに、乾燥アルゴン気流下でテトラオクチルシラン2.0モル、THF300mlを仕込み、氷冷し、内温25℃以下にて、グリニヤール試薬を2時間かけて滴下し、滴下終了後30℃にて1時間熟成を行った。次いで、反応液を減圧ろ過し、未反応マグネシウムを除去した後、ろ液よりTHF及び未反応のテトラオクチルシランを除き、この溶液を除去して式(a13)で示される化合物を得た。 A 1 liter glass flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer, and dropping funnel was charged with 2.0 mol of tetraoctylsilane and 300 ml of THF under a dry argon stream, cooled on ice, and at an internal temperature of 25 ° C. or less, Grignard The reagent was added dropwise over 2 hours, and after completion of the addition, aging was performed at 30 ° C. for 1 hour. Next, the reaction solution was filtered under reduced pressure to remove unreacted magnesium, and then THF and unreacted tetraoctylsilane were removed from the filtrate, and this solution was removed to obtain a compound represented by the formula (a13).
得られた化合物の機器分析の結果を示す。
1H NMR(δ CDCl3): 7.63〜7.78(m,C4H2S)
IR: 2966,2893cm−1(s,C2H5)
UV−Vis: 410nm(トルエン溶液)(チオフェン環)
以上の結果から、この化合物が式(a13)で表されるn-トリオクチルシラン−クォーターチオフェン−トリエトキシシランであることが判明した。
The result of the instrumental analysis of the obtained compound is shown.
1 H NMR (δ CDCl 3 ): 7.63-7.78 (m, C 4 H 2 S)
IR: 2966, 2893 cm −1 (s, C 2 H 5 )
UV-Vis: 410 nm (toluene solution) (thiophene ring)
From the above results, it was found that this compound was n-trioctylsilane-quarterthiophene-triethoxysilane represented by the formula (a13).
実験例9
<合成例12>
合成例8及び9に準拠して、トリクロロシラン−クィンケチオフェン−トリエトキシシラン、トリクロロシラン−ヘキシチオフェン−トリエトキシシラン、トリクロロシラン−トリフェニル−トリエトキシシラン、トリオクタデシルシラン−ターフェニル−トリクロロシランも製造できることを確認した。更に、同様に両末端異種官能基を有するベンゼン及びチオフェンが8まで結合したオクタチオフェンやオクタフェニレンを含むケイ素化合物も製造できることを確認した。ベンゼン及びチオフェンが9以上結合した化合物では、原料の入手が困難になり、かつ合成の収率が低下することを確認した。
Experimental Example 9
<Synthesis Example 12>
In accordance with Synthesis Examples 8 and 9, trichlorosilane-quinkethiophene-triethoxysilane, trichlorosilane-hexithiophene-triethoxysilane, trichlorosilane-triphenyl-triethoxysilane, trioctadecylsilane-terphenyl-tri It was confirmed that chlorosilane could also be produced. Furthermore, it was confirmed that a silicon compound containing octathiophene and octaphenylene in which benzene and thiophene having both different functional groups at both ends were similarly bonded up to 8 was confirmed. It was confirmed that a compound in which 9 or more of benzene and thiophene were bonded made it difficult to obtain raw materials and the synthesis yield was reduced.
実験例10
<合成例13:n−トリオクチルシラン−ジベンゾペリレンートリエトキシシラン式(a14)の製造>
ナフタレン(アルドリッチ社)をNaNO2−TfOH(Tf=CF3SO2)溶液中で反応させることでナフタレンからビナフチルを合成した。ビナフチルをLiTHFと酸素バブリング下で反応させて、ペリレンを得た。アルドリッチ社より購入したSbF5は、乾燥アルゴン雰囲気で二倍に希釈した。SO2ClFは、NH4FとTFAのハロゲン交換反応によって生成させたSO2Cl2から合成した。ペリレンをSbF5−SO2ClFと反応させ、HPLCで精製してジベンゾペリレンを得た。ジベンゾペリレンに対して1当量のNCSを、CHCl3存在下、AcOH中、ジベンゾペリレンと反応させ、クロロ化を行った。その後、THF溶液中でn−BuLiおよびトリオクチルシランと反応させ、トリオクチルシランージベンゾペリレンを得た(収率8%)。
Experimental Example 10
<Synthesis Example 13: Production of n-trioctylsilane-dibenzoperylene-triethoxysilane formula (a14)>
Naphthalene was synthesized binaphthyl (Aldrich) naphthalene by reaction with NaNO 2 -TfOH (Tf = CF 3 SO 2) solution. Binaphthyl was reacted with LiTHF under oxygen bubbling to obtain perylene. SbF 5 purchased from Aldrich was diluted twice in a dry argon atmosphere. SO 2 ClF was synthesized from SO 2 Cl 2 produced by halogen exchange reaction of NH 4 F and TFA. Perylene reacted with SbF 5 -SO 2 ClF, to obtain a dibenzoperylene was purified by HPLC. Chlorination was performed by reacting 1 equivalent of NCS with dibenzoperylene in AcOH in the presence of CHCl 3 with respect to dibenzoperylene. Thereafter, it was reacted with n-BuLi and trioctylsilane in a THF solution to obtain trioctylsilane-dibenzoperylene (yield 8%).
攪拌機、還流冷却機、温度計、滴下漏斗を備えた1リットルガラスフラスコに、乾燥アルゴン気流下でテトラエトキシシラン2.0モル、THF300mlを仕込み、氷冷し、内温25℃以下にて、グリニヤール試薬を2時間かけて滴下し、滴下終了後30℃にて1時間熟成を行った。次いで、反応液を減圧ろ過し、未反応マグネシウムを除去した後、ろ液よりTHF及び未反応のテトラエトキシシランを除き、この溶液を除去して式(a14)で示される化合物を得た。 A 1 liter glass flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer, and dropping funnel was charged with 2.0 mol of tetraethoxysilane and 300 ml of THF under a dry argon stream, cooled on ice, and at an internal temperature of 25 ° C. or less, Grignard The reagent was added dropwise over 2 hours, and after completion of the addition, aging was performed at 30 ° C. for 1 hour. Next, the reaction solution was filtered under reduced pressure to remove unreacted magnesium, and then THF and unreacted tetraethoxysilane were removed from the filtrate, and this solution was removed to obtain a compound represented by the formula (a14).
得られた化合物について、赤外吸収測定を行ったところ、波長1050nmにSi−O−Cの吸収が見られた。このことより、得られた化合物にシリル基が含まれることが確認された。
化合物を含むクロロホルム溶液の紫外−可視吸収スペクトル測定を行ったところ、波長378nmに吸収が観測された。この吸収は、分子に含まれるジベンゾペリレン骨格のπ→π*遷移に起因しており、化合物がジベンゾペリレン骨格を含むことが確認できた。
さらに、化合物の核磁気共鳴(NMR)測定を行った。
7.8ppm(m)(5H 芳香族由来)
7.4ppm(m)(2H 芳香族由来)
7.1ppm(m)(2H 芳香族由来)
6.3ppm(m)(2H 芳香族由来)
3.8ppm(m)(6H エトキシ基のメチレン基由来)
3.6ppm(m)(2H 芳香族由来)
1.3ppm(m)(9H エトキシ基のメチル基由来)
これらの結果から、この化合物がn−トリオクチルシラン−ジベンゾペリレンートリエトキシシランであることを確認した。
When the obtained compound was subjected to infrared absorption measurement, Si—O—C absorption was observed at a wavelength of 1050 nm. From this, it was confirmed that the obtained compound contains a silyl group.
When the ultraviolet-visible absorption spectrum of the chloroform solution containing the compound was measured, absorption was observed at a wavelength of 378 nm. This absorption was attributed to the π → π * transition of the dibenzoperylene skeleton contained in the molecule, and it was confirmed that the compound contained the dibenzoperylene skeleton.
Furthermore, the nuclear magnetic resonance (NMR) measurement of the compound was performed.
7.8 ppm (m) (derived from 5H aromatics)
7.4 ppm (m) (derived from 2H aromatics)
7.1 ppm (m) (derived from 2H aromatics)
6.3 ppm (m) (derived from 2H aromatics)
3.8 ppm (m) (derived from methylene group of 6H ethoxy group)
3.6 ppm (m) (derived from 2H aromatics)
1.3 ppm (m) (derived from methyl group of 9H ethoxy group)
From these results, it was confirmed that this compound was n-trioctylsilane-dibenzoperylene-triethoxysilane.
次に、n−トリオクチルシラン−ジベンゾペリレンートリエトキシシラン式(a14)の0.2mMクロロホルム溶液をpH=4、水温40℃の水面上に展開し、LB法によって、図5(A)に示すようなシラノール結合を介した5層累積膜を作製した。 Next, a 0.2 mM chloroform solution of n-trioctylsilane-dibenzoperylene-triethoxysilane formula (a14) is developed on the water surface at pH = 4 and water temperature of 40 ° C. A five-layer cumulative film through silanol bonds as shown was prepared.
実施例1と同様の方法で原子間力顕微鏡(AFM)観察による膜表面形態観察を50μmサイズで行ったところ、50μmサイズで膜は均一に形成されていた。また、膜を力学的処理により切削したところ、膜厚はそれぞれの分子長の和に相当する20nm程度であった。このことから、膜厚の均一な5層膜が調製できていることが判った。 When film surface morphology observation by atomic force microscope (AFM) observation was performed at 50 μm size in the same manner as in Example 1, the film was uniformly formed at 50 μm size. Moreover, when the film was cut by mechanical treatment, the film thickness was about 20 nm corresponding to the sum of the respective molecular lengths. From this, it was found that a five-layer film having a uniform film thickness was prepared.
実施例1と同様の方法による電子線回折(ED)測定に基づいて、5層累積膜の結晶構造を評価した。ED測定用試料は、SiO2を蒸着させたホルムバール膜を基板として用いて行った。その結果、5層累積膜において、ジベンゾペリレン部の結晶構造に起因する回折スポットが観測された。 Based on the electron diffraction (ED) measurement by the same method as in Example 1, the crystal structure of the five-layer cumulative film was evaluated. The sample for ED measurement was performed using a form bar film on which SiO 2 was deposited as a substrate. As a result, diffraction spots attributable to the crystal structure of the dibenzoperylene portion were observed in the five-layer cumulative film.
<実施例8:有機薄膜トランジスタの作製及び電気特性の評価>
図9有機薄膜トランジスタを作製した。
まずシリコン基板25上にクロム/金を蒸着し、ゲート電極24を作製した。次に、化学気相吸着法により酸化シリコン膜によるゲート絶縁膜23を堆積した。さらに、クロム/金をマスクをかけて蒸着し、ソース電極21及びドレイン電極22を作製した。
作製した電極付の基板に対して紫外光照射を行い、ゲート絶縁膜23表面に親水化処理を施した。得られた基板を用いたこと以外、実施例3と同様の方法により、n−トリオクチルシラン−ジベンゾペリレンートリエトキシシラン式(a14)の単分子膜からなる5層累積膜を調製し、図9に示す有機薄膜トランジスタを得た。
トランジスタの電気特性を評価するために、電界効果移動度およびオン/オフ比を測定した。種々の負のゲート電圧を印加しながらソース/ドレイン間の電圧を変化させて流れる電流量を(4155A;HP社製)計測した。その結果、電界効果移動度は約8x10−2cm2V−1s−1であり、またオン/オフ比は5桁程度であることが判明した。
<Example 8: Production of organic thin film transistor and evaluation of electrical characteristics>
FIG. 9 An organic thin film transistor was produced.
First, chromium / gold was vapor-deposited on the
The produced substrate with electrodes was irradiated with ultraviolet light, and the surface of the
In order to evaluate the electrical characteristics of the transistor, field effect mobility and on / off ratio were measured. The amount of current flowing by changing the voltage between the source / drain while applying various negative gate voltages (4155A; manufactured by HP) was measured. As a result, it was found that the field effect mobility was about 8 × 10 −2 cm 2 V −1 s −1 and the on / off ratio was about 5 digits.
実験例11
<合成例14:n−トリクロロシラン−コロネンートリエトキシシラン式(a15)の製造>
合成例13で合成したペリレンを、ブロモアセトアルデヒドジエチルアセタール中で求電子剤と混合させてペリレンをアニオン化し、モルキュラーヨウ素と処理することで1−ペリレンアセトアルデヒドジエチルアセタールと3位に置換された同位体を得た。1及び3−ペリレンアセトアルデヒドジエチルアセタールを濃硫酸、メタノール混合溶媒中に溶解させて、1時間超音波処理を施してベンゾペリレンを得た。同様にして、得られたベンゾペリレンをアニオン化し、モルキュラーヨウ素で処理し、5及び7−ベンゾペリレンアセトアルデヒドジエチルアセタールを得て、これらのベンゾペリレン誘導体を超音波処理して、トルエン溶媒から再結晶法により精製してコロネンを合成した。コロネンに対して1当量のNCSを、CHCl3存在下、AcOH中、コロネンと反応させ、クロロ化を行った。その後、THF溶液中でn−BuLiおよびトリエトキシシランと反応させ、トリエトキシシラン−コロネンを得た(収率46%)。
Experimental Example 11
<Synthesis Example 14: Production of n-trichlorosilane-coronene-triethoxysilane formula (a15)>
Perylene synthesized in Synthesis Example 13 is mixed with an electrophile in bromoacetaldehyde diethyl acetal to anionize perylene, and treated with molecular iodine to give 1-peryleneacetaldehyde diethyl acetal and an isotope substituted at the 3-position Got. 1 and 3-peryleneacetaldehyde diethyl acetal was dissolved in concentrated sulfuric acid and methanol mixed solvent, and subjected to ultrasonic treatment for 1 hour to obtain benzoperylene. Similarly, the obtained benzoperylene was anionized and treated with molecular iodine to obtain 5 and 7-benzoperyleneacetaldehyde diethyl acetal. These benzoperylene derivatives were sonicated and recrystallized from a toluene solvent. Coronene was synthesized by purification by the method. Chlorination was performed by reacting 1 equivalent of NCS with coronene in AcOH in the presence of CHCl 3 with respect to coronene. Thereafter, it was reacted with n-BuLi and triethoxysilane in a THF solution to obtain triethoxysilane-coronene (yield 46%).
攪拌機、還流冷却器、温度計、滴下漏斗を備えた1リットルガラスフラスコに、乾燥アルゴン気流下で金属マグネシウム2モル、テトラクロロシラン2.0モル、テトラヒドロフラン(THF)300mlを仕込み、内温25℃以下にて、得られたトリエトキシシラン−コロネンを2時間かけて滴下し、滴下終了後30度にて1時間熟成を行った。次いで、反応液を減圧にてろ過し、塩化マグネシウムを除去した後、ろ液よりTHF及び未反応のテトラクロロシランをストリップし、この溶液を蒸留して、式(a14)で示される化合物を得た。 A 1 liter glass flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer, and dropping funnel was charged with 2 mol of metallic magnesium, 2.0 mol of tetrachlorosilane, and 300 ml of tetrahydrofuran (THF) under a dry argon stream, and the internal temperature was 25 ° C. or less. Then, the obtained triethoxysilane-coronene was dropped over 2 hours, and after completion of the dropping, aging was performed at 30 degrees for 1 hour. Next, the reaction solution was filtered under reduced pressure to remove magnesium chloride, and then THF and unreacted tetrachlorosilane were stripped from the filtrate, and this solution was distilled to obtain a compound represented by the formula (a14). .
得られた化合物について、赤外吸収測定を行ったところ、波長700nmにSi−Cの吸収が見られた。このことより、得られた化合物にシリル基が含まれることが確認された。
化合物を含むクロロホルム溶液の紫外−可視吸収スペクトル測定を行ったところ、波長338及び300nmに吸収が観測された。この吸収は、分子に含まれるコロネン骨格のπ→π*遷移に起因しており、化合物がコロネン骨格を含むことが確認できた。
さらに、化合物の核磁気共鳴(NMR)測定を行った。
7.4ppm(m)(11H 芳香族由来)
これらの結果から、この化合物がトリクロロシラン−コロネン−トリエトキシシランであることを確認した。
When the obtained compound was subjected to infrared absorption measurement, Si—C absorption was observed at a wavelength of 700 nm. From this, it was confirmed that the obtained compound contains a silyl group.
When the ultraviolet-visible absorption spectrum of the chloroform solution containing the compound was measured, absorption was observed at wavelengths of 338 and 300 nm. This absorption was attributed to the π → π * transition of the coronene skeleton contained in the molecule, and it was confirmed that the compound contained the coronene skeleton.
Furthermore, the nuclear magnetic resonance (NMR) measurement of the compound was performed.
7.4 ppm (m) (from 11H aromatics)
From these results, it was confirmed that this compound was trichlorosilane-coronene-triethoxysilane.
次に、n−トリクロロシラン−コロネンートリエトキシシラン式(a15)の0.2mMクロロホルム溶液をpH=2、水温23℃の水面上に展開し、LB法によって、図5(A)に示すようなシラノール結合を介した5層累積膜を作製した。 Next, a 0.2 mM chloroform solution of n-trichlorosilane-coronene-triethoxysilane formula (a15) is developed on the water surface at pH = 2 and a water temperature of 23 ° C., and as shown in FIG. A five-layer cumulative film via a silanol bond was prepared.
実施例1と同様の方法で原子間力顕微鏡(AFM)観察による膜表面形態観察を50μmサイズで行ったところ、50μmサイズで膜は均一に形成されていた。また、膜を力学的処理により切削したところ、膜厚はそれぞれの分子長の和に相当する22nm程度であった。このことから、膜厚の均一な7層膜が調製できていることが判った。 When film surface morphology observation by atomic force microscope (AFM) observation was performed at 50 μm size in the same manner as in Example 1, the film was uniformly formed at 50 μm size. Moreover, when the film was cut by mechanical treatment, the film thickness was about 22 nm corresponding to the sum of the respective molecular lengths. From this, it was found that a seven-layer film having a uniform film thickness was prepared.
実施例1と同様の方法による電子線回折(ED)測定に基づいて、7層累積膜の結晶構造を評価した。ED測定用試料は、SiO2を蒸着させたホルムバール膜を基板として用いて行った。その結果、5層累積膜において、ジベンゾペリレン部の結晶構造に起因する回折スポットが観測された。 Based on the electron diffraction (ED) measurement by the same method as in Example 1, the crystal structure of the seven-layer cumulative film was evaluated. The sample for ED measurement was performed using a form bar film on which SiO 2 was deposited as a substrate. As a result, diffraction spots attributable to the crystal structure of the dibenzoperylene portion were observed in the five-layer cumulative film.
<実施例9:有機薄膜トランジスタの作製及び電気特性の評価>
図9有機薄膜トランジスタを作製した。
まずシリコン基板25上にクロム/金を蒸着し、ゲート電極24を作製した。次に、化学気相吸着法により酸化シリコン膜によるゲート絶縁膜23を堆積した。さらに、クロム/金をマスクをかけて蒸着し、ソース電極21及びドレイン電極22を作製した。
作製した電極付の基板に対して紫外光照射を行い、ゲート絶縁膜23表面に親水化処理を施した。得られた基板を用いたこと以外、実施例3と同様の方法により、n−トリクロロシラン−コロネンートリエトキシシラン式(a15)の単分子膜からなる7層累積膜を調製し、図9に示す有機薄膜トランジスタを得た。
トランジスタの電気特性を評価するために、電界効果移動度およびオン/オフ比を測定した。種々の負のゲート電圧を印加しながらソース/ドレイン間の電圧を変化させて流れる電流量を(4155A;HP社製)計測した。その結果、電界効果移動度は約7x10−2cm2V−1s−1であり、またオン/オフ比は6桁程度であることが判明した。
<Example 9: Preparation of organic thin film transistor and evaluation of electrical characteristics>
FIG. 9 An organic thin film transistor was produced.
First, chromium / gold was vapor-deposited on the
The produced substrate with electrodes was irradiated with ultraviolet light, and the surface of the
In order to evaluate the electrical characteristics of the transistor, field effect mobility and on / off ratio were measured. The amount of current flowing by changing the voltage between the source / drain while applying various negative gate voltages (4155A; manufactured by HP) was measured. As a result, it was found that the field effect mobility was about 7 × 10 −2 cm 2 V −1 s −1 and the on / off ratio was about 6 digits.
1:親水化処理基板、10:SPM装置系のピエゾ素子、11:カンチレバー、12:単分子膜または単分子累積膜、13:金/クロム電極、14:マイカ基板、15:電流計測定手段、20:半導体層、21:ソース電極、22:ドレイン電極、23:ゲート絶縁膜、24:ゲート電極、25:シリコン基板、31:透明電極、32:対向電極、33:n型光導電層、34:p型光導電層、35::有機層、41:陽極、42:陰極、43:発光層、44:正孔輸送層、45:電子輸送層、48:有機層。
1: hydrophilized substrate, 10: SPM device type piezo element, 11: cantilever, 12: monomolecular film or monomolecular cumulative film, 13: gold / chromium electrode, 14: mica substrate, 15: ammeter measuring means, 20: semiconductor layer, 21: source electrode, 22: drain electrode, 23: gate insulating film, 24: gate electrode, 25: silicon substrate, 31: transparent electrode, 32: counter electrode, 33: n-type photoconductive layer, 34 : P-type photoconductive layer, 35 :: organic layer, 41: anode, 42: cathode, 43: light emitting layer, 44: hole transport layer, 45: electron transport layer, 48: organic layer.
Claims (9)
(1)A1〜A3がそれぞれ独立してハロゲン原子であり、A4〜A6がそれぞれ独立してアルコキシ基である;
(2)A1〜A3がそれぞれ独立してハロゲン原子であり、A4〜A6がそれぞれ独立してアルキル基である;
(3)A1〜A3がそれぞれ独立して炭素数1〜2のアルコキシ基であり、A4〜A6がそれぞれ独立して炭素数3〜4のアルコキシ基である;および
(4)A1〜A3がそれぞれ独立して炭素数1〜2のアルコキシ基であり、A4〜A6がそれぞれ独立して炭素数3〜4のアルキル基である。 Organic device according to claim 1 in combination with A 1 to A 3 and A 4 to A 6 are of one of the following (1) to (4);
(1) A 1 to A 3 are each independently a halogen atom, and A 4 to A 6 are each independently an alkoxy group;
(2) A 1 to A 3 are each independently a halogen atom, and A 4 to A 6 are each independently an alkyl group;
(3) A 1 to A 3 are each independently an alkoxy group having 1 to 2 carbon atoms, A 4 to A 6 are each independently an alkoxy group having 3 to 4 carbon atoms; and (4) A 1 to A 3 are each independently an alkoxy group having 1 to 2 carbon atoms, and A 4 to A 6 are each independently an alkyl group having 3 to 4 carbon atoms.
(式中、Bは単環系芳香族化合物、縮合系芳香族化合物、単環系複素環化合物、縮合系複素環化合物、またはそれらの化合物が2〜8個結合した化合物に由来の2価の有機基であり、Xはハロゲン原子である)で示される化合物と、
(式) Y1−Si(A1)(A2)(A3) (3)
(式中、Y1はハロゲン原子であり、A1〜A3はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜18のアルキル基である)で示される化合物とを反応させて、
(式) H−B−Si(A1)(A2)(A3) (4)
を合成し、
式(4)中、Bにハロゲン原子を結合させ、エトキシエタン又はテトラヒドロフラン(THF)の存在下で、マグネシウムやリチウム金属と反応させて
(式) MgX−B−Si(A1)(A2)(A3) (5)
で示される化合物を合成した後、
(式) Y2−Si(A4)(A5)(A6) (6)
(式中、Y2はハロゲン原子であり、A4〜A6はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜18のアルキル基であり、脱離反応性についてA1〜A3>A4〜A6の関係を満たす)で示される化合物と反応させて、一般式(I)の有機化合物を得ることを特徴とする請求項1に記載の有機デバイスの製造方法。 (Formula) H-B-MgX (2)
(In the formula, B represents a divalent aromatic compound, a condensed aromatic compound, a monocyclic heterocyclic compound, a condensed heterocyclic compound, or a divalent derivative derived from a compound in which 2 to 8 of these compounds are bonded . An organic group and X is a halogen atom),
(Formula) Y 1 -Si (A 1) (A 2) (A 3) (3)
(Wherein Y 1 is a halogen atom, and A 1 to A 3 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms or an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms). Reaction with the compound
(Formula) H-B-Si (A 1) (A 2) (A 3) (4)
Synthesize
In the formula (4), a halogen atom is bonded to B and reacted with magnesium or lithium metal in the presence of ethoxyethane or tetrahydrofuran (THF) (formula) MgX-B-Si (A 1 ) (A 2 ) (A 3 ) (5)
After synthesizing the compound represented by
(Formula) Y 2 -Si (A 4) (A 5) (A 6) (6)
Wherein Y 2 is a halogen atom, and A 4 to A 6 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms or an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, and is eliminated The organic compound according to claim 1, wherein the organic compound of the general formula (I) is obtained by reacting with a compound represented by the formula (I satisfies A 1 to A 3 > A 4 to A 6 ). Device manufacturing method.
(式中、Bは単環系芳香族化合物、縮合系芳香族化合物、単環系複素環化合物、縮合系複素環化合物、またはそれらの化合物が2〜8個結合した化合物に由来の2価の有機基であり、X1及びX2は、それぞれ異なって、ハロゲン原子である。)で示される化合物を、マグネシウム又はリチウムからなる金属触媒を用いてグリニヤール反応剤とした後、
(式) Y1−Si(A1)(A2)(A3) (3)
(式中、Y1はハロゲン原子であり、A1〜A3はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜18のアルキル基である)で示される化合物と反応させ、下記式で表されるグリニヤール反応剤
(式) Si(A1)(A2)(A3)−B−MgX2 (9)
を得、その後、
(式) Y2−Si(A4)(A5)(A6) (6)
(式中、Y2はハロゲン原子であり、A4〜A6はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜18のアルキル基であり、脱離反応性についてA1〜A3>A4〜A6の関係を満たす)で示される化合物と(式9)で示される化合物とを反応させて、一般式(I)の有機化合物を得ることを特徴とする請求項1に記載の有機デバイスの製造方法。 (Formula) X 1 -B-X 2 ( 8)
(In the formula, B is a divalent aromatic compound, a condensed aromatic compound, a monocyclic heterocyclic compound, a condensed heterocyclic compound, or a divalent derivative derived from a compound in which 2 to 8 of these compounds are bonded . An organic group, and X 1 and X 2 are different from each other and are halogen atoms.) After using a metal catalyst made of magnesium or lithium as a Grignard reactant,
(Formula) Y 1 -Si (A 1) (A 2) (A 3) (3)
(Wherein Y 1 is a halogen atom, and A 1 to A 3 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms or an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms). Grignard reactant represented by the following formula (formula) Si (A 1 ) (A 2 ) (A 3 ) -B-MgX 2 (9)
And then
(Formula) Y 2 -Si (A 4) (A 5) (A 6) (6)
(Wherein Y 2 is a halogen atom, and A 4 to A 6 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms or an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, and is eliminated. A compound represented by (formula 9) and a compound represented by (formula 9) are reacted with each other to obtain an organic compound of the general formula (I), which satisfies the relationship of A 1 to A 3 > A 4 to A 6 The manufacturing method of the organic device of Claim 1 characterized by the above-mentioned .
(2)未反応の有機化合物を非水系溶媒を用いて洗浄除去する工程、および
(3)得られた単分子膜の膜表面側に存在する未反応のシリル基を吸着反応のサイトとして、一般式(I)の有機化合物からなる単分子膜を累積させる工程を含んでなることを特徴とする請求項1に記載の有機デバイスの製造方法。
(1) A step of reacting a silyl group having A 1 to A 3 in the organic compound of the general formula (I) with a substrate surface to form a monomolecular film composed of a monomolecular layer directly adsorbed on the substrate,
(2) an organic compound unreacted step removed by washing with a non-aqueous solvent, and (3) as an unreacted sites silyl group adsorption reactions present in the membrane surface of the obtained monomolecular film, generally The method for producing an organic device according to claim 1, further comprising a step of accumulating monomolecular films made of the organic compound of formula (I) .
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