JP2009033126A - Organic transistor material and organic field effect transistor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic transistor material which realizes compatibility of high mobility and low threshold voltage of an organic FET element. <P>SOLUTION: An organic transistor material includes a single-wall carbon nanotube and an organic semiconductor material. The ratio (B/A) of an absorbance (B) at a wavelength 1,200 nm with respect to absorbance (A) at a wavelength 1,000 nm which is obtained from a single-wall carbon nanotube contained in an organic transistor material is smaller than 1.0. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、単層カーボンナノチューブと有機半導体材料を含む有機トランジスタ材料、およびこれを半導体層とする電界効果型トランジスタに関する。   The present invention relates to an organic transistor material including a single-walled carbon nanotube and an organic semiconductor material, and a field effect transistor using the same as a semiconductor layer.

従来、電界効果型トランジスタ素子(以下、FET素子と言う)は、シリコンやゲルマニウム等の無機半導体を用いており、回路パターンを形成するために、フォトリソグラフィーや真空蒸着等の製造コストのかかるプロセスが何段階もわたって必要であった。このような製造方法を採用してきた半導体産業では、製造コスト削減や、表示装置における大面積化の要請が高まっている。しかし、製造装置の制約から無機半導体での低コスト化や大面積化が困難である。また、シリコン等の無機半導体を製膜するプロセスは非常に高い温度下で行われるため、基板として使用可能な材料の種類が限られるという課題があった。   Conventionally, field effect transistor elements (hereinafter referred to as FET elements) use inorganic semiconductors such as silicon and germanium, and in order to form a circuit pattern, a process that requires manufacturing costs such as photolithography and vacuum deposition is performed. It was necessary over many stages. In the semiconductor industry that has adopted such a manufacturing method, there is an increasing demand for a reduction in manufacturing cost and an increase in area of a display device. However, it is difficult to reduce the cost and increase the area of the inorganic semiconductor due to restrictions on the manufacturing apparatus. In addition, since the process of forming an inorganic semiconductor such as silicon is performed at a very high temperature, there is a problem that the types of materials that can be used as a substrate are limited.

このため、成形性に優れた有機半導体を半導体層として用いた有機電界効果型トランジスタ素子が提案されている。有機半導体をインクとして利用することで、インクジェット技術やスクリーン印刷技術等により、基板上に直接回路パターンを形成することが可能になりつつある。   For this reason, an organic field effect transistor element using an organic semiconductor excellent in formability as a semiconductor layer has been proposed. By using an organic semiconductor as an ink, it is becoming possible to form a circuit pattern directly on a substrate by an inkjet technique, a screen printing technique, or the like.

FET素子の性能を示す重要な指標として、移動度とオンオフ比と閾値電圧が挙げられる。移動度の向上は、すなわち、オン電流を増加させることを意味する。一方、オンオフ比の向上は、オン電流を増加させるとともにオフ電流を減少させることを意味する。これらはどちらもFET素子のスイッチング特性を向上させることであり、例えば、液晶表示装置においては高階調を実現させることにつながる。例えば液晶表示装置の場合、移動度0.1cm/V・sec以上、オンオフ比10以上が求められる。閾値電圧は0Vに近いほど好ましく、小さなゲート電圧でオンとオフの制御が可能になるので低電圧駆動が可能になる。 As important indexes indicating the performance of the FET element, there are mobility, on / off ratio, and threshold voltage. The improvement in mobility means that the on-current is increased. On the other hand, improving the on / off ratio means increasing the on-current and decreasing the off-current. Both of these improve the switching characteristics of the FET element. For example, in a liquid crystal display device, high gradation is realized. For example, in the case of a liquid crystal display device, the mobility 0.1cm 2 / V · sec or higher, the on-off ratio 10 5 or more is required. The threshold voltage is preferably as close to 0V as possible, and on-off control can be performed with a small gate voltage, so that low-voltage driving is possible.

FET素子に用いる有機半導体としては、ペンタセン、テトラセンや金属フタロシアニン化合物などの有機低分子半導体が知られているが、これらは蒸着などの真空プロセスを用いることが多く、大面積化やコスト削減が困難であるという課題があった。そこで、有機溶媒に可溶で塗布形成が可能な共役系ポリマーとしてチオフェン系ポリマー(例えば、特許文献1参照)が知られている。しかしポリマーのみでは十分な移動度が得られていなかった。これに対し、十分な移動度とオンオフ比を達成できる電界効果型トランジスタとして、カーボンナノチューブ(以下、CNTと言う)とポリチオフェン系重合体を含む電界効果型トランジスタが開示されている(例えば、特許文献2〜3参照)。しかしながら、この方法では閾値電圧が大きくなる課題があった。   As organic semiconductors used in FET elements, organic low-molecular semiconductors such as pentacene, tetracene, and metal phthalocyanine compounds are known, but these often use vacuum processes such as vapor deposition, making it difficult to increase the area and cost. There was a problem of being. Therefore, a thiophene polymer (see, for example, Patent Document 1) is known as a conjugated polymer that is soluble in an organic solvent and can be coated and formed. However, sufficient mobility was not obtained with the polymer alone. On the other hand, a field effect transistor including a carbon nanotube (hereinafter referred to as CNT) and a polythiophene polymer has been disclosed as a field effect transistor capable of achieving sufficient mobility and on / off ratio (for example, Patent Documents). 2-3). However, this method has a problem of increasing the threshold voltage.

有機半導体材料を用いたトランジスタの閾値電圧を低減する方法として、有機半導体材料中の不純物として存在するイオンを捕捉する方法(例えば、特許文献4〜5参照)などが開示されており、閾値電圧の低減を行っているが、高移動度化を同時に達成するものではなかった。   As a method for reducing the threshold voltage of a transistor using an organic semiconductor material, a method of capturing ions present as impurities in the organic semiconductor material (for example, see Patent Documents 4 to 5) is disclosed. Although it has been reduced, high mobility has not been achieved at the same time.

また、半導体層にCNTを用いたトランジスタとして、半導体的CNTと金属的CNTとを分離して、半導体的CNTをチャネル層に用いたトランジスタが開示されている(例えば、特許文献6参照)。このトランジスタでは、半導体的CNTの分離によりオンオフ比は10程度に改善されているが、閾値電圧が大きい課題があった。
特開平6−177380号公報(請求項1、実施例1) 特開2007−76998号公報(実施例2) 特開2004−266272号公報(請求項1〜4) 特開2006−49775号公報(実施例1、比較例1) 特開2006−49776号公報(実施例1、比較例1) 特開2007−31238号公報(請求項1、15、図20)
In addition, as a transistor using CNT as a semiconductor layer, a transistor using semiconductor CNT as a channel layer by separating semiconducting CNT and metallic CNT is disclosed (for example, see Patent Document 6). In this transistor, the on / off ratio is improved to about 10 3 by the separation of semiconducting CNTs, but there is a problem that the threshold voltage is large.
JP-A-6-177380 (Claim 1, Example 1) JP 2007-76998 A (Example 2) JP 2004-266272 A (Claims 1 to 4) Japanese Patent Laying-Open No. 2006-49775 (Example 1, Comparative Example 1) JP 2006-49776 A (Example 1, Comparative Example 1) Japanese Patent Laying-Open No. 2007-31238 (Claims 1, 15, and FIG. 20)

本発明の目的は、有機FET素子の高移動度と低閾値電圧を両立することのできる有機トランジスタ材料を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an organic transistor material that can achieve both high mobility and low threshold voltage of an organic FET element.

上記課題を達成するために、本発明は下記の構成からなる。
(1)単層カーボンナノチューブおよび有機半導体材料を含む有機トランジスタ材料であって、前記単層カーボンナノチューブから得られる膜の波長1000nmにおける吸光度(A)に対する波長1200nmにおける吸光度(B)の比(B/A)が1.0未満である有機トランジスタ材料。
(2)前記単層カーボンナノチューブが過酸化水素処理されたものである上記(1)の有機トランジスタ材料。
(3)前記単層カーボンナノチューブの表面の少なくとも一部に共役系重合体が付着している上述(1)または(2)記載の有機トランジスタ材料。
(4)前記有機半導体材料がチオフェン骨格を含有する分子量3000以下の有機低分子半導体である上述(1)〜(3)のいずれか記載の有機トランジスタ材料。
(5)有機半導体材料100重量部に対して0.01〜3重量部の単層カーボンナノチューブを含む上記(1)〜(4)のいずれか記載の有機トランジスタ材料。
(6)ゲート電極、絶縁層、半導体層、ソース電極およびドレイン電極を有する有機電界効果型トランジスタであって、前記半導体層が上記(1)〜(5)のいずれか記載の有機トランジスタ材料を用いてなる有機電界効果型トランジスタ。
In order to achieve the above object, the present invention comprises the following constitution.
(1) An organic transistor material comprising a single-walled carbon nanotube and an organic semiconductor material, wherein the ratio of absorbance (B) at a wavelength of 1200 nm to absorbance (A) at a wavelength of 1000 nm of a film obtained from the single-walled carbon nanotube (B / An organic transistor material in which A) is less than 1.0.
(2) The organic transistor material according to (1) above, wherein the single-walled carbon nanotube is treated with hydrogen peroxide.
(3) The organic transistor material according to (1) or (2) above, wherein a conjugated polymer is attached to at least a part of the surface of the single-walled carbon nanotube.
(4) The organic transistor material according to any one of the above (1) to (3), wherein the organic semiconductor material is an organic low-molecular semiconductor having a thiophene skeleton and having a molecular weight of 3000 or less.
(5) The organic transistor material according to any one of the above (1) to (4), comprising 0.01 to 3 parts by weight of single-walled carbon nanotubes with respect to 100 parts by weight of the organic semiconductor material.
(6) An organic field effect transistor having a gate electrode, an insulating layer, a semiconductor layer, a source electrode and a drain electrode, wherein the semiconductor layer uses the organic transistor material according to any one of (1) to (5) above. Organic field effect transistor.

本発明によれば、塗布形成が可能で、有機FET素子の高移動度と低閾値電圧を両立することができる有機半導体材料を得ることができる。本発明の有機半導体材料を用いれば、塗布法等の低コストプロセスによって、移動度が高く、閾値電圧の低い有機FET素子を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain an organic semiconductor material that can be formed by coating and can achieve both high mobility and low threshold voltage of an organic FET element. By using the organic semiconductor material of the present invention, an organic FET element having high mobility and low threshold voltage can be obtained by a low-cost process such as a coating method.

本発明の有機トランジスタ材料は、単層CNTおよび有機半導体材料を含む。ここで、CNTには1枚の炭素膜(グラッフェン・シート)が円筒状に巻かれた単層CNTと、2枚のグラッフェン・シートが同心円状に巻かれた2層CNTと、複数のグラッフェン・シートが同心円状に巻かれた多層CNTとがある。本発明の有機トランジスタ材料は、単層CNTを含み、さらに2層CNTまたは多層CNTを含んでもかまわないが、2層CNTや多層CNTはCNT全体の50重量%以下であることが好ましい。特に単層CNTが優れた性質を持つので、単層CNTのみのものがより好ましく用いられる。   The organic transistor material of the present invention includes single-walled CNTs and organic semiconductor materials. Here, the single-walled CNT in which a single carbon film (graphene sheet) is wound in a cylindrical shape, the double-walled CNT in which two graphene sheets are wound concentrically, and a plurality of graphene- There are multi-layer CNTs in which sheets are wound concentrically. The organic transistor material of the present invention contains single-walled CNTs, and may further contain two-walled CNTs or multilayered CNTs. However, the two-walled CNTs or multilayered CNTs are preferably 50% by weight or less of the total CNTs. In particular, since single-walled CNTs have excellent properties, only single-walled CNTs are more preferably used.

単層CNTには金属的CNTと半導体的CNTがあり、単層CNTの集合体はこれら両者の混合体となっている。一般的には、合成された単層CNT集合体には、半導体的CNTが3分の2、金属的CNTが3分の1の比率で存在している。本発明においては、単層CNT集合体中の金属的CNTの比率を増やすことによって、有機FET素子の閾値電圧を低減することができる有機半導体材料を得ることができる。   Single-walled CNTs include metallic CNTs and semiconducting CNTs, and an aggregate of single-walled CNTs is a mixture of both. Generally, in the synthesized single-walled CNT aggregate, semiconducting CNTs are present at a ratio of two-thirds and metallic CNTs at a ratio of one-third. In the present invention, an organic semiconductor material capable of reducing the threshold voltage of the organic FET element can be obtained by increasing the ratio of metallic CNT in the single-walled CNT aggregate.

本発明における単層CNTの役割を考慮すると、金属的CNTの比率を上げることができれば、移動度の向上、ヒステリシスの低減、閾値電圧の低減が期待される。すなわち、金属的CNTの比率を高めることにより、有機半導体の結晶子間でのキャリアのパスがスムーズになり、移動度が向上することが期待される。また、金属的CNTの比率を高めることにより、余分なキャリアを減らし、ヒステリシスの低減や閾値電圧の低減が期待される。本発明においては、金属的CNTの比率を上げることで、高移動度でありながら、特に閾値電圧の低減に効果のあることがわかった。   Considering the role of single-walled CNTs in the present invention, if the ratio of metallic CNTs can be increased, improvement in mobility, reduction in hysteresis, and reduction in threshold voltage are expected. That is, by increasing the ratio of metallic CNT, it is expected that the carrier path between the crystallites of the organic semiconductor becomes smooth and the mobility is improved. In addition, by increasing the ratio of metallic CNT, it is expected that excessive carriers are reduced, and hysteresis and threshold voltage are reduced. In the present invention, it has been found that increasing the ratio of metallic CNT is particularly effective in reducing the threshold voltage while maintaining high mobility.

金属的CNTの比率の変化は、近赤外領域の吸光度の変化によってみることができる。波長1200nmには、半導体的CNTに特有の吸収が見られる。一方、波長1000nm付近の吸収は、金属的CNTと半導体的CNTとの比率に依存しない。したがって、金属的CNTと半導体的CNTとの比率を示す指標として、波長1000nmにおける吸光度(A)に対する波長1200nmにおける吸光度(B)の比(B/A)を用いることができる。   Changes in the ratio of metallic CNT can be seen by changes in absorbance in the near infrared region. Absorption characteristic of semiconducting CNT is observed at a wavelength of 1200 nm. On the other hand, the absorption near the wavelength of 1000 nm does not depend on the ratio of metallic CNT to semiconducting CNT. Therefore, the ratio (B / A) of the absorbance (B) at a wavelength of 1200 nm to the absorbance (A) at a wavelength of 1000 nm can be used as an index indicating the ratio of metallic CNT and semiconducting CNT.

具体的には、単層CNTの膜を形成し、その膜に対して吸光度を測定すればよい。単層CNTの膜は、例えば、単層CNTを共役系重合体あるいは分散剤などと共に溶媒中に分散し、分散液を塗布することによって形成することができる。波長1000nm付近の吸光度は膜厚のみに依存するので、膜厚に比例した吸光度を知ることができる。これに対し、波長1200nmにおける吸収は半導体的CNTに特有の吸収であるから、波長1000nmにおける吸光度(A)に対する波長1200nmにおける吸光度(B)の比(B/A)を、金属的CNTと半導体的CNTとの比率を示す指標とすることができる。本発明において、B/Aの値は1.0未満であることが必要である。この値が1.0以上であると、閾値電圧が20V以上と大きくなる。B/Aの値は小さいほど好ましく、より好ましくは0.8以下である。   Specifically, a single-walled CNT film may be formed and the absorbance may be measured for the film. The single-walled CNT film can be formed, for example, by dispersing the single-walled CNT in a solvent together with a conjugated polymer or a dispersant and applying a dispersion. Since the absorbance near the wavelength of 1000 nm depends only on the film thickness, it is possible to know the absorbance proportional to the film thickness. On the other hand, since the absorption at a wavelength of 1200 nm is characteristic of semiconducting CNT, the ratio (B / A) of the absorbance (B) at a wavelength of 1200 nm to the absorbance (A) at a wavelength of 1000 nm is expressed as a metallic CNT and a semiconducting CNT. It can be used as an index indicating the ratio with CNT. In the present invention, the value of B / A needs to be less than 1.0. When this value is 1.0 or more, the threshold voltage increases to 20 V or more. The value of B / A is preferably as small as possible, more preferably 0.8 or less.

先に記載したとおり、一般的には、合成された単層CNT集合体には、半導体的CNTが3分の2、金属的CNTが3分の1の比率で存在している。この場合、B/Aの値は1.0となる。そこで、本発明においては、B/Aの値が1.0未満となるよう、金属的CNT比率を増加させる処理を行うことが好ましい。金属的CNT比率を増加させる方法としては、金属的および半導体的CNTの集合体を過酸化水素水中で加熱処理する方法(例えば、特開2006−188380号公報参照)や、レーザーを照射して半導体的CNTを選択的に破壊する方法(例えば、特開2007−31239号公報参照)、ポルフィリンダイマーを用いて金属的CNTを選択的に取り出す方法(例えば、特開2006−265178号公報参照)、金属的CNTを電極上で電気的に保護した状態で強酸処理を行う方法(例えば、国際公開05/041227号パンフレット参照)などがあり、いずれも好ましく用いられる。これらの中でも、過酸化水素処理が簡便に確実に処理できることから好ましく用いられる。過酸化水素処理においては、加熱撹拌することで半導体的CNTも金属的CNTも少しずつ酸化され、炭酸ガスとなって消滅していくが、半導体的CNTの方が酸化される速度が速く、処理を続けることによって結果として金属的CNTの比率の多い単層CNT集合体を得ることができる。これらの処理前後で、単層CNT集合体から得られる膜の吸光度を測定してB/Aの値の変化を調べることにより、処理による金属CNT比率の増減を知ることができる。例えば、処理によってB/Aの値が減少すれば、半導体的CNTの比率が減少し、その分だけ金属的CNTの比率が増大したことになる。   As described above, generally, in the synthesized single-walled CNT aggregate, semiconducting CNTs are present at a ratio of two-thirds and metallic CNTs at a ratio of one-third. In this case, the value of B / A is 1.0. Therefore, in the present invention, it is preferable to perform a process of increasing the metallic CNT ratio so that the value of B / A is less than 1.0. As a method for increasing the metallic CNT ratio, a method of heat-treating an aggregate of metallic and semiconducting CNTs in hydrogen peroxide water (for example, see JP-A-2006-188380), a semiconductor by irradiating a laser Selective destruction of CNTs (for example, see JP-A-2007-31239), method of selectively removing metallic CNTs using a porphyrin dimer (for example, see JP-A-2006-265178), metal There are methods (for example, see International Publication No. 05/041227 pamphlet) in which strong CNT treatment is performed while electrically protecting CNTs on the electrode, and any of them is preferably used. Among these, the hydrogen peroxide treatment is preferably used because it can be easily and reliably treated. In the hydrogen peroxide treatment, both the semiconducting CNT and the metallic CNT are oxidized little by little by heating and stirring, and disappear as carbon dioxide gas. However, the rate at which the semiconducting CNT is oxidized is faster. As a result, a single-walled CNT aggregate with a high ratio of metallic CNTs can be obtained. By measuring the absorbance of the film obtained from the single-walled CNT aggregate before and after these treatments and examining the change in the B / A value, the increase or decrease in the metal CNT ratio due to the treatment can be known. For example, if the B / A value is decreased by the treatment, the ratio of semiconducting CNTs is decreased, and the ratio of metallic CNTs is increased accordingly.

本発明において、単層CNTはその表面の少なくとも一部に、共役系重合体が付着していることが好ましい。共役系重合体が付着していることによって、単層CNTは有機半導体中への分散性が向上し、有機トランジスタの移動度をより向上させることができる。また、溶媒中への分散性が向上するので、単層CNTを含む有機半導体材料の塗布液を調製する際に、より均一性に優れた塗布液を得ることができる。共役系重合体としては、例えば、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリ−p−フェニレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリピレン、ポリカルバゾール、ポリフラン、ポリインドール系などが挙げられる。中でも、ポリチオフェン系重合体が好ましく用いられ、親媒性の側鎖のある、ポリ−3−アルキルチオフェンが特に好ましく用いられる。これらの共役系重合体は、重量平均分子量が8000〜200000のものが好ましく用いられるが、これ以上の高分子量のものであっても、分子量800〜8000のオリゴマーであっても用いることができる。   In the present invention, the single-walled CNT preferably has a conjugated polymer attached to at least a part of its surface. By attaching the conjugated polymer, the single-walled CNT has improved dispersibility in the organic semiconductor, and the mobility of the organic transistor can be further improved. Moreover, since the dispersibility in a solvent improves, when preparing the coating liquid of the organic-semiconductor material containing single-walled CNT, the coating liquid excellent in uniformity can be obtained. Examples of the conjugated polymer include polythiophene, polythienylene vinylene, polyphenylene vinylene, poly-p-phenylene, polypyrrole, polyaniline, polyacetylene, polydiacetylene, polypyrene, polycarbazole, polyfuran, and polyindole. Among these, polythiophene polymers are preferably used, and poly-3-alkylthiophenes having an amphiphilic side chain are particularly preferably used. As these conjugated polymers, those having a weight average molecular weight of 8000 to 200,000 are preferably used, but even those having a higher molecular weight or oligomers having a molecular weight of 800 to 8000 can be used.

なお、共役系重合体が付着した単層CNTの膜の吸収スペクトルには、これらの重合体に対応する吸収が、主に可視光領域に現れる。共役系の発達した重合体であっても吸収が見られるのは波長800nm以下であり、本発明に用いられる単層CNTの吸光度を測定する1000nmや1200nmでは、単層CNTと重合体の吸収が重ならないので、共重合体が付着した単層CNTの吸収をそのまま観察することができる。   In the absorption spectrum of the single-walled CNT film to which the conjugated polymer is attached, absorption corresponding to these polymers appears mainly in the visible light region. Even in a polymer having a conjugated system, absorption is observed at a wavelength of 800 nm or less. When the absorbance of the single-walled CNT used in the present invention is measured at 1000 nm or 1200 nm, the absorption of the single-walled CNT and the polymer is absorbed. Since they do not overlap, the absorption of the single-walled CNT with the copolymer attached can be observed as it is.

本発明の有機トランジスタ材料は、後述する有機半導体材料100重量部に対し、単層CNTを0.01〜3重量部含むことが好ましい。単層CNTの含有量を0.01重量部以上とすることにより、有機トランジスタの特性として、良好なオンオフ比を維持したまま移動度をより向上させることができる。より好ましくは0.1重量部以上である。一方、3重量部以下とすることにより、半導体としての性質を保つことができ、良好な移動度とオンオフ比を得ることができる。より好ましくは1重量部以下である。1重量部以下にすることで、良好な移動度とオンオフ比を維持しつつ、閾値電圧をより小さくすることができる。   The organic transistor material of the present invention preferably contains 0.01 to 3 parts by weight of single-walled CNT with respect to 100 parts by weight of the organic semiconductor material described later. By setting the content of the single-walled CNT to 0.01 parts by weight or more, the mobility can be further improved while maintaining a good on / off ratio as the characteristics of the organic transistor. More preferably, it is 0.1 parts by weight or more. On the other hand, when the content is 3 parts by weight or less, properties as a semiconductor can be maintained, and good mobility and on / off ratio can be obtained. More preferably, it is 1 part by weight or less. By setting it to 1 part by weight or less, the threshold voltage can be further reduced while maintaining good mobility and on / off ratio.

本発明において、有機半導体材料としては、共役系重合体や有機低分子半導体等を挙げることができる。   In the present invention, examples of the organic semiconductor material include conjugated polymers and organic low-molecular semiconductors.

共役系重合体は有機溶媒可溶性のものが好ましく、溶液を基板やフィルム上に塗布することで簡便に半導体層を形成することができる。共役系重合体の種類は特に限定されないが、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリ−p−フェニレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリピレン、ポリカルバゾール、ポリフラン、ポリインドール系などのポリマーが挙げられる。中でも半導体特性の優れたものとしてポリチオフェン系重合体、またはポリチオフェン系ユニットを含む共重合体を用いることが好ましい。ポリチオフェン系重合体とはポリチオフェン構造の骨格を持つ重合体に側鎖が付いた構造を有するポリアルキルチオフェンである。具体例としては、ポリ−3−メチルチオフェン、ポリ−3−ブチルチオフェン、ポリ−3−ヘキシルチオフェン、ポリ−3−オクチルチオフェン、ポリ−3−ドデシルチオフェン等のポリ−3−アルキルチオフェン、ポリ(3,3”−ジアルキルターチオフェン)、ポリ[5,5’−ビス(3−アルキル−2−チエニル−2,2’−ジチオフェン)]、ポリ[2,5−ビス(2−チエニル)−3,4−ジアルキルチオフェン]等(アルキル基の炭素数は特に制限はないが好ましくは1〜16)、ポリ−3−メトキシチオフェン、ポリ−3−エトキシチオフェン、ポリ−3−ドデシルオキシチオフェン等のポリ−3−アルコキシチオフェン(アルコキシ基の炭素数はとくに制限はないが好ましくは1〜12)、ポリ−3−メトキシ−4−メチルチオフェン、ポリ−3−ドデシルオキシ−4−メチルチオフェン等のポリ−3−アルコキシ−4−アルキルチオフェン(アルコキシ基およびアルキル基の炭素数は特に制限はないが好ましくは1〜12)、ポリ−3−チオヘキシルチオフェンやポリ−3−チオドデシルチオフェン等のポリ−3−チオアルキルチオフェン(アルキル基の炭素数は特に制限はないが好ましくは1〜12)、ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン等が挙げられ、1種もしくは2種以上を用いることができる。中でも、ポリ−3−アルキルチオフェン、ポリ(3,3”−ジアルキルターチオフェン)、ポリ[5,5’−ビス(3−アルキル−2−チエニル−2,2’−ジチオフェン)]、ポリ−3−アルコキシチオフェンが好ましい。またポリチオフェン系ユニットを含む共重合体とは、チオフェンユニットが並んだ間にアリーレンユニット、チエニルチアゾールユニット、フルオレンユニット、カルバゾールユニットや、フタロシアニンユニット、または上記のユニットの誘導体をはさんだポリマー等が挙げられ、共役系の連続するものであれば好ましく用いることができる。ここでいう重合体とは、分子量3000を超えるものを指し、通常100000程度以下である。   The conjugated polymer is preferably an organic solvent-soluble one, and a semiconductor layer can be easily formed by applying a solution on a substrate or a film. The type of conjugated polymer is not particularly limited, but polymers such as polythiophene, polythienylene vinylene, polyphenylene vinylene, poly-p-phenylene, polypyrrole, polyaniline, polyacetylene, polydiacetylene, polypyrene, polycarbazole, polyfuran, polyindole, and the like Is mentioned. Among them, it is preferable to use a polythiophene polymer or a copolymer containing a polythiophene unit as a semiconductor having excellent semiconductor characteristics. The polythiophene polymer is a polyalkylthiophene having a structure in which a polymer having a polythiophene structure skeleton is attached to a side chain. Specific examples include poly-3-alkylthiophene such as poly-3-methylthiophene, poly-3-butylthiophene, poly-3-hexylthiophene, poly-3-octylthiophene, poly-3-dodecylthiophene, poly ( 3,3 ″ -dialkylterthiophene), poly [5,5′-bis (3-alkyl-2-thienyl-2,2′-dithiophene)], poly [2,5-bis (2-thienyl) -3 , 4-dialkylthiophene] and the like (the carbon number of the alkyl group is not particularly limited, but preferably 1 to 16), poly-3-methoxythiophene, poly-3-ethoxythiophene, poly-3-dodecyloxythiophene, etc. -3-alkoxythiophene (the number of carbon atoms of the alkoxy group is not particularly limited, but preferably 1-12), poly-3-methoxy-4-methyl Poly-3-alkoxy-4-alkylthiophenes such as offene, poly-3-dodecyloxy-4-methylthiophene (the number of carbons of the alkoxy group and alkyl group is not particularly limited, but preferably 1-12), poly-3 -Poly-3-thioalkylthiophene such as thiohexylthiophene and poly-3-thiododecylthiophene (the number of carbons of the alkyl group is not particularly limited, but preferably 1-12), poly-3,4-ethylenedioxythiophene 1 type, or 2 or more types can be used, among which poly-3-alkylthiophene, poly (3,3 ″ -dialkylterthiophene), poly [5,5′-bis (3-alkyl) -2-thienyl-2,2′-dithiophene)], poly-3-alkoxythiophene. A copolymer containing a polythiophene unit includes an arylene unit, a thienylthiazole unit, a fluorene unit, a carbazole unit, a phthalocyanine unit, or a polymer having a derivative of the above unit sandwiched between thiophene units. Any continuous conjugated system can be used. The polymer here refers to a polymer having a molecular weight exceeding 3000, and is usually about 100,000 or less.

本発明において用いられる上記のポリチオフェン系重合体の側鎖の結合様式は、レジオレギュラーな構造を有するものが好ましく、少なくとも80%以上のレジオレギュラリティーを有するものが好ましく用いられる。レジオレギュラリティーとは、複数並んだモノマーユニットにおいて、側鎖の方向がどれだけ一方向に規則正しく並んで連結しているかを表す指標である。レジオレギュラリティーは核磁気共鳴分光装置(NMR)によって定量することが可能であり、レジオレギュラーの割合が高いほど良好な半導体特性を得ることができる。本発明では以上のように共役系重合体の主鎖の立体構造や側鎖置換基の配列を制御してもよい。   The side chain bonding mode of the polythiophene polymer used in the present invention preferably has a regioregular structure, and preferably has a regioregularity of at least 80%. The regioregularity is an index indicating how many side chain directions are regularly aligned in one direction in a plurality of monomer units arranged side by side. The regioregularity can be quantified by a nuclear magnetic resonance spectrometer (NMR), and the higher the regioregular ratio, the better the semiconductor properties. In the present invention, the steric structure of the main chain of the conjugated polymer and the arrangement of the side chain substituents may be controlled as described above.

有機低分子半導体としては、半導体性を示す材料であれば用いることができ、特にキャリア移動度の高い材料が好ましい。また、有機溶媒可溶性のものが好ましい。ここで、本発明における有機低分子半導体とは、分子量3000以下で分子量分布のない単一の化合物として単離・同定できるものである。有機低分子半導体はカラム精製や再結晶、昇華精製などの方法により精製することができるため、高純度化が可能であり、しかも単一の分子量のものを得ることができるので、高移動度の有機FET素子を作製することができる。さらに、分子量を3000以下にすることによって有機半導体分子の共役長を抑えることができるので、酸化に対する安定性が向上し、大気中においても高いオンオフ比を維持することもできる。分子量が3000以下であれば、高純度な有機半導体材料を簡便に高収率で合成することも可能となる。なお、分子量は一般に使用されている質量分析装置で測定できる。   As the organic low-molecular semiconductor, any material exhibiting semiconductivity can be used, and a material having a high carrier mobility is particularly preferable. Moreover, an organic solvent soluble thing is preferable. Here, the organic low molecular weight semiconductor in the present invention can be isolated and identified as a single compound having a molecular weight of 3000 or less and no molecular weight distribution. Organic low-molecular semiconductors can be purified by methods such as column purification, recrystallization, and sublimation purification, so they can be highly purified, and can be obtained with a single molecular weight. An organic FET element can be produced. Furthermore, since the conjugated length of the organic semiconductor molecule can be suppressed by setting the molecular weight to 3000 or less, the stability against oxidation can be improved, and a high on / off ratio can be maintained even in the atmosphere. When the molecular weight is 3000 or less, it is possible to easily synthesize a high-purity organic semiconductor material with high yield. The molecular weight can be measured with a mass spectrometer generally used.

有機低分子半導体としては、例えば、ピリジン、キノリン、フェナントロリン、オキサゾール、オキサジアゾールなどの含窒素芳香環を構成単位とするポリヘテロアリール類、アントラセン、ピレン、ナフタセン、ペンタセン、ヘキサセン、ルブレンなどの縮合多環芳香族化合物、フラン、チオフェン、ベンゾチオフェン、ジベンゾフラン、ピリジン、キノリン、フェナントロリン、オキサゾール、オキサジアゾールなどが4個以上連結された化合物、4,4’−ビス(N−(3−メチルフェニル)−N−フェニルアミノ)ビフェニルに代表される芳香族アミン誘導体、ビス(N−アリルカルバゾール)またはビス(N−アルキルカルバゾール)などのビスカルバゾール誘導体、ピラゾリン誘導体、スチルベン系化合物、ヒドラゾン系化合物、銅フタロシアニンなどの金属フタロシアニン類、銅ポルフィリンなどの金属ポルフィリン類、ジスチリルベンゼン誘導体、アミノスチリル誘導体、芳香族アセチレン誘導体、ナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸ジイミド、ペリレン−3,4,9,10−テトラカルボン酸ジイミドなどの縮合環テトラカルボン酸ジイミド類、メロシアニン、フェノキサジン、ローダミンなどの有機色素などが例として挙げられる。これらの中でも、チオフェン骨格を有するものが好ましい。チオフェン骨格を有することにより分子の配向性が向上し、移動度がより向上する。   Examples of organic low-molecular semiconductors include polyheteroaryls containing nitrogen-containing aromatic rings such as pyridine, quinoline, phenanthroline, oxazole, and oxadiazole, and condensations such as anthracene, pyrene, naphthacene, pentacene, hexacene, and rubrene. 4,4′-bis (N- (3-methylphenyl), a compound in which four or more polycyclic aromatic compounds, furan, thiophene, benzothiophene, dibenzofuran, pyridine, quinoline, phenanthroline, oxazole, oxadiazole and the like are linked ) -N-phenylamino) biphenyl aromatic amine derivatives, bis (N-allylcarbazole) or bis (N-alkylcarbazole) and other biscarbazole derivatives, pyrazoline derivatives, stilbene compounds, hydrazone compounds Metal phthalocyanines such as copper phthalocyanine, metal porphyrins such as copper porphyrin, distyrylbenzene derivatives, aminostyryl derivatives, aromatic acetylene derivatives, naphthalene-1,4,5,8-tetracarboxylic acid diimide, perylene-3,4 Examples thereof include condensed ring tetracarboxylic acid diimides such as 1,9,10-tetracarboxylic acid diimide, and organic dyes such as merocyanine, phenoxazine, and rhodamine. Among these, those having a thiophene skeleton are preferable. By having a thiophene skeleton, molecular orientation is improved and mobility is further improved.

チオフェン骨格を有する有機低分子半導体として、下記一般式(1)で表されるチオフェン化合物が好ましく用いられる。
−A−B (1)
上記一般式(1)中、BおよびBは同じでも異なっていてもよく、それぞれ、下記一般式(2)で表される基を示す。Aは下記一般式(3)〜(11)のいずれかで表される2価の連結基を示す。
As the organic low-molecular semiconductor having a thiophene skeleton, a thiophene compound represented by the following general formula (1) is preferably used.
B 1 -A 1 -B 2 (1)
In the general formula (1), B 1 and B 2 may be the same or different and each represents a group represented by the following general formula (2). A 1 represents a divalent linking group represented by any one of the following general formulas (3) to (11).

Figure 2009033126
Figure 2009033126

上記一般式(2)中、R〜Rは同じでも異なっていてもよく、それぞれ、水素、アルキル基、シクロアルキル基、複素環基、アルケニル基、シクロアルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリールエーテル基、アリールチオエーテル基、アリール基、ヘテロアリール基、ハロゲン原子、シアノ基、ホルミル基、アルキルカルボニル基、アリールカルボニル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、アルキルカルボニルオキシ基、アリールカルボニルオキシ基、カルバモイル基、アミノ基およびシリル基からなる群から選ばれる。R〜Rは隣接する置換基同士で環を形成してもよい。Aは下記に挙げる群から選択される少なくとも1種の2価の連結基を表す。mは0〜11の整数である。mが2以上の場合、それぞれのR、Rは同じでも異なっていてもよい。 In the general formula (2), R 1 to R 5 may be the same or different and are each hydrogen, an alkyl group, a cycloalkyl group, a heterocyclic group, an alkenyl group, a cycloalkenyl group, an alkynyl group, an alkoxy group, Alkylthio group, aryl ether group, aryl thioether group, aryl group, heteroaryl group, halogen atom, cyano group, formyl group, alkylcarbonyl group, arylcarbonyl group, carboxyl group, alkoxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, alkylcarbonyloxy It is selected from the group consisting of a group, an arylcarbonyloxy group, a carbamoyl group, an amino group, and a silyl group. R 1 to R 5 may form a ring with adjacent substituents. A represents at least one divalent linking group selected from the group listed below. m is an integer of 0-11. When m is 2 or more, each R 1 and R 2 may be the same or different.

Figure 2009033126
Figure 2009033126

ここでR〜R10は同じでも異なっていてもよく、それぞれ、アルキレン基、シクロアルキレン基、2価の複素環基、カルボニル基、オキシカルボニル基およびカルボニルオキシ基からなる群から選ばれる。Ar〜Ar12は同じでも異なっていてもよく、アリーレン基またはヘテロアリーレン基である。X〜Xは同じでも異なっていてもよく、それぞれ、−O−、−S−、−NR11−または−SiR1213−を示す。Y〜Yは同じでも異なっていてもよく、それぞれ、−CR14−または−N−を表す。なお、R11〜R14は上記R〜Rと同様の群から選択される。a〜aは同じでも異なっていてもよく、1または2である。b〜bは同じでも異なっていてもよく、0〜4の整数である。但し、b、b、b、bが0の場合、Ar、Ar、ArおよびAr11は、それぞれ、アリーレン基、窒素原子を少なくとも一つ含むヘテロアリーレン基または縮合ヘテロアリーレン基を示す。 R 6 to R 10 may be the same or different and are each selected from the group consisting of an alkylene group, a cycloalkylene group, a divalent heterocyclic group, a carbonyl group, an oxycarbonyl group, and a carbonyloxy group. Ar 1 to Ar 12 may be the same or different and are an arylene group or a heteroarylene group. X 1 to X 6 may be the same or different and each represents —O—, —S—, —NR 11 — or —SiR 12 R 13 —. Y 1 to Y 6 may be the same or different and each represents —CR 14 — or —N—. R 11 to R 14 are selected from the same group as R 1 to R 5 . a 1 to a 6 may be the same or different and are 1 or 2. b 1 to b 8 may be the same or different and are integers of 0 to 4. However, when b 3 , b 4 , b 7 and b 8 are 0, Ar 1 , Ar 3 , Ar 9 and Ar 11 are each an arylene group, a heteroarylene group containing at least one nitrogen atom, or a condensed heteroarylene group Indicates a group.

上記の一般式(1)で表される有機低分子半導体として、具体的に好ましい例として下記の[1]が挙げられる。   As the organic low molecular semiconductor represented by the above general formula (1), the following [1] is specifically exemplified as a preferred example.

Figure 2009033126
Figure 2009033126

本発明の有機トランジスタ材料には、上述の複数種の有機半導体材料を含んでもよい。   The organic transistor material of the present invention may include the above-described plural types of organic semiconductor materials.

次に、本発明の有機トランジスタ材料を製造する方法について説明する。   Next, a method for producing the organic transistor material of the present invention will be described.

本発明に用いられる単層CNTは、アーク放電法、化学気相成長法(以下CVD法とする)、レーザー・アブレーション法等によって作製されるが、本発明に使用されるCNTはいずれの方法によって得られたものであってもよい。   Single-walled CNTs used in the present invention are produced by an arc discharge method, a chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as a CVD method), a laser ablation method, or the like. It may be obtained.

単層CNT集合体に対して金属的CNTの比率を増やす処理を行う場合には、事前にCNTを精製しておくことが好ましい。単層CNT集合体中に含まれる金属触媒やアモルファスカーボンなどの不純物が5重量%以下の場合は特に精製を行う必要はないが、不純物がそれ以上に存在していると、上述のFET特性向上効果が小さくなる上に、金属的CNT比率を増やす処理の効率が低下する場合がある。単層CNTの精製は公知の方法を用いることができ、硝酸、硫酸などによる酸処理や、大気雰囲気下での加熱処理などが用いられる。   When performing the process which increases the ratio of metallic CNT with respect to a single layer CNT aggregate, it is preferable to refine | purify CNT beforehand. If impurities such as metal catalyst and amorphous carbon contained in the single-walled CNT aggregate are 5% by weight or less, it is not necessary to perform purification, but if more impurities are present, the above-mentioned FET characteristics are improved. In addition to reducing the effect, the efficiency of processing to increase the metallic CNT ratio may be reduced. A known method can be used to purify the single-walled CNT, and acid treatment with nitric acid, sulfuric acid, etc., heat treatment in an air atmosphere, or the like is used.

本発明に用いる単層CNTは、有機FET素子の電極間の短絡を防ぐために、素子電極間の距離よりも短い単層CNTを使用することが望ましい。単層CNTは一般には紐状で生成されるので、短繊維状で使用するためにカット、あるいはフィルターを用いて長い成分のCNTを除去して、素子電極間の距離よりも短い単層CNTを得ることができる。短繊維へのカットには、硝酸、硫酸などによる酸処理とともに超音波処理が有効であり、またフィルターによる分離を併用することは、純度を向上させる上でもさらに好ましい。なお、カットした単層CNTだけではなく、あらかじめ短繊維状に作製した単層CNTも、本発明により好ましく使用される。このような短繊維状単層CNTは、基板上に鉄、コバルトなどの触媒金属を形成し、その表面にCVD法により700〜900℃で炭素化合物を熱分解して単層CNTを気相成長させることによって、基板表面に垂直方向に配向した形状で得られる。このようにして作製された短繊維状単層CNTを基板から剥ぎ取るなどの方法で取り出すことができる。また、短繊維状単層CNTはポーラスシリコンのようなポーラスな支持体や、アルミナの陽極酸化膜上に触媒金属を担持させ、その表面に単層CNTをCVD法にて成長させることもできる。触媒金属を分子内に含む鉄フタロシアニンのような分子を原料とし、アルゴン/水素のガス流中でCVDを行うことによって基板上に単層CNTを作製する方法でも、配向した短繊維状の単層CNTを作製することができる。さらには、SiC単結晶表面にエピタキシャル成長法によって配向した短繊維状単層CNTを得ることもできる。   The single-walled CNT used in the present invention is preferably a single-walled CNT shorter than the distance between the device electrodes in order to prevent a short circuit between the electrodes of the organic FET device. Since single-walled CNTs are generally produced in the form of strings, they are cut for use in the form of short fibers, or long-walled CNTs are removed using a filter, and single-walled CNTs shorter than the distance between device electrodes are obtained. Obtainable. In order to cut into short fibers, ultrasonic treatment is effective together with acid treatment with nitric acid, sulfuric acid or the like, and it is more preferable to use separation with a filter in combination for improving purity. In addition, not only the cut single-walled CNT but also a single-walled CNT prepared in a short fiber shape in advance is preferably used according to the present invention. Such short-fiber single-walled CNTs form a catalytic metal such as iron or cobalt on a substrate, and thermally decompose carbon compounds on the surface at 700 to 900 ° C. by CVD to vapor-grow single-walled CNTs. By doing so, it is obtained in a shape oriented in the direction perpendicular to the substrate surface. The short fiber single-walled CNTs thus produced can be taken out by a method such as peeling off from the substrate. In addition, the short fiber-like single-walled CNTs can be obtained by supporting a catalytic metal on a porous support such as porous silicon or an anodic oxide film of alumina and growing the single-walled CNTs on the surface thereof by the CVD method. Even in a method of producing single-walled CNTs on a substrate by using a molecule such as iron phthalocyanine containing a catalytic metal in the molecule and performing CVD in a gas flow of argon / hydrogen, an oriented short fiber-like single layer CNTs can be produced. Furthermore, it is also possible to obtain short fiber single-walled CNTs oriented on the SiC single crystal surface by an epitaxial growth method.

本発明に用いる単層CNTは有機半導体材料中に分散させて用いられるが、有機半導体材料中に添加する前に、溶媒中に均一分散しておくことが好ましい。単層CNTは通常、数十本以上から成る束状の構造をしており、金属的CNT比率を増やす処理を行ったあとでも束状の構造である。しかし、これを数本以下にほどくことで、より良好なFET特性を得ることができるので、束状構造をほどき、かつ溶媒中に均一分散していることが好ましい。単層CNTを溶媒中に分散する方法としては、単層CNTと共役系重合体を溶媒に混合した後、超音波照射して分散する方法が好ましく用いられる。超音波照射は、超音波洗浄機あるいは超音波ホモジナイザーなどを用いて行うことができる。短時間で高効率に分散を行う場合には超音波ホモジナイザーが好ましく用いられる。   The single-walled CNT used in the present invention is used by being dispersed in an organic semiconductor material, but it is preferable that the single-walled CNT is uniformly dispersed in a solvent before being added to the organic semiconductor material. Single-walled CNTs usually have a bunch-like structure composed of several tens or more, and a bunch-like structure even after a treatment for increasing the metallic CNT ratio. However, it is preferable to unwind the bundle structure and uniformly disperse it in the solvent, since it is possible to obtain better FET characteristics by unwinding the number of these wires to several. As a method for dispersing single-walled CNTs in a solvent, a method in which single-walled CNTs and a conjugated polymer are mixed in a solvent, and then dispersed by ultrasonic irradiation is preferably used. The ultrasonic irradiation can be performed using an ultrasonic cleaning machine or an ultrasonic homogenizer. An ultrasonic homogenizer is preferably used when dispersing in a short time with high efficiency.

単層CNTと共役系重合体を溶媒に混合する際、単層CNT濃度は0.001〜1g/lの範囲が好ましい。また、単層CNTに対する共役系重合体の量は0.5〜10倍程度であることが好ましい。より好ましくは1〜2倍である。この範囲にあることで高い分散性を維持しつつ、余剰の共役系重合体が少ない状態が得られ、良好な単層CNT分散液を得ることができる。   When the single-walled CNT and the conjugated polymer are mixed in the solvent, the single-walled CNT concentration is preferably in the range of 0.001 to 1 g / l. Moreover, it is preferable that the quantity of the conjugated polymer with respect to single layer CNT is about 0.5 to 10 times. More preferably, it is 1 to 2 times. By being in this range, while maintaining high dispersibility, a state where there is little excess conjugated polymer can be obtained, and a good single-walled CNT dispersion can be obtained.

超音波の照射出力は、超音波ホモジナイザーなどを用いて直接照射装置する場合は100〜500Wであることが好ましい。バッチ式で分散処理を行う場合は100〜500Wが好ましく、100〜300Wがさらに好ましく、連続フロー式で分散処理を行う場合は200〜750Wが好ましく、200〜500Wがさらに好ましい。この範囲にあることで、分散液の超音波照射による液温上昇を適度に制御しながら良好なCNT分散液を得ることができる。また、超音波洗浄機などを用いて間接照射する場合の超音波の出力は、10〜1000Wが好ましい。通常市販されている超音波洗浄機は、超音波の出力と洗浄槽の大きさがほぼ比例するように設計されているので、単層CNT分散液の処理量にあわせて出力と洗浄槽の大きさを選定すればよく、出力約100W/洗浄槽約2リットルから、出力300W/洗浄槽10リットル程度のものを用いることが好ましい。超音波の周波数は20〜100kHzであることが好ましい。なお、超音波の照射を終了する直前に共役系重合体を、上述の配合比の範囲内で追加してもよく、こうすることで単層CNTの再凝集を抑制し分散安定性を向上させることができる。   The ultrasonic irradiation output is preferably 100 to 500 W in the case of direct irradiation using an ultrasonic homogenizer or the like. 100-500W is preferable, when performing a distributed process by a batch type, 100-300W is more preferable, 200-750W is preferable, and 200-500W is more preferable when performing a distributed process by a continuous flow type. By being in this range, it is possible to obtain a good CNT dispersion while appropriately controlling the rise in liquid temperature due to ultrasonic irradiation of the dispersion. Moreover, the output of the ultrasonic wave in the case of indirect irradiation using an ultrasonic cleaner or the like is preferably 10 to 1000 W. The ultrasonic cleaners that are usually on the market are designed so that the output of the ultrasonic wave and the size of the cleaning tank are approximately proportional, so the output and the size of the cleaning tank are matched to the throughput of the single-walled CNT dispersion. It is preferable to use one having an output of about 100 W / cleaning tank of about 2 liters and an output of about 300 W / cleaning tank of about 10 liters. The frequency of the ultrasonic wave is preferably 20 to 100 kHz. In addition, a conjugated polymer may be added within the range of the above-mentioned blending ratio immediately before the end of the ultrasonic irradiation, thereby suppressing the re-aggregation of the single-walled CNT and improving the dispersion stability. be able to.

上述の方法で溶媒中に均一分散した単層CNTは、共役系重合体と単層CNTから構成されるが、両者は単なる混合体ではなく、共役系重合体が単層CNTの少なくとも一部、あるいは全部に付着した状態であると考えられる。共役系重合体がCNTに付着できるのは、それぞれの共役系構造に由来するπ電子雲が重なることによって相互作用が生じるためと推測される。共役系重合体がCNTに付着しているか否かは、共役系重合体が付着したCNTの反射色が、共役系重合体の色に近づくことで判別できる。定量的には元素分析やX線光電子分光法(XPS)などによって付着物の存在とCNTに対する付着物の重量比を同定することができる。また、CNTに付着させる共役系重合体は、共役系重合体であれば、分子量、分子量分布や構造に関わらず用いることができる。   Single-walled CNTs uniformly dispersed in the solvent by the above-described method are composed of a conjugated polymer and a single-walled CNT, but both are not simply a mixture, and the conjugated polymer is at least part of the single-walled CNT, Or it is thought that it is in the state which adhered to all. The reason why the conjugated polymer can adhere to the CNT is presumed to be that the π electron clouds derived from the respective conjugated structures overlap each other to cause an interaction. Whether or not the conjugated polymer is attached to the CNT can be determined by the reflection color of the CNT to which the conjugated polymer is attached approaching the color of the conjugated polymer. Quantitatively, the presence of deposits and the weight ratio of deposits to CNTs can be identified by elemental analysis or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The conjugated polymer to be attached to the CNTs can be used regardless of the molecular weight, molecular weight distribution, or structure as long as it is a conjugated polymer.

本発明では、単層CNT分散液、あるいは単層CNTを含有する有機半導体材料の溶液をフィルターによって濾過する工程を設けることが好ましい。フィルター孔径よりも小さい単層CNTを濾液から得ることで、ソース電極とドレイン電極間の距離よりも短いCNTを効率よく得られることができる。   In the present invention, it is preferable to provide a step of filtering a single-walled CNT dispersion or a solution of an organic semiconductor material containing single-walled CNTs with a filter. By obtaining single-walled CNTs smaller than the filter pore diameter from the filtrate, CNTs shorter than the distance between the source electrode and the drain electrode can be obtained efficiently.

濾過に用いるフィルターは、チャネル長よりも小さい孔径を有するフィルターであれば、メンブレンフィルター、セルロース濾紙、ガラス繊維濾紙など何れの種類のフィルターも用いることができる。中でもメンブレンフィルターは、濾紙内部で吸着されるCNTの量を減らすことができるので、濾液から収率よく単層CNTを回収できるので好ましく用いることができる。   As long as the filter used for filtration has a pore size smaller than the channel length, any type of filter such as a membrane filter, cellulose filter paper, or glass fiber filter paper can be used. Among them, the membrane filter can be preferably used because it can reduce the amount of CNT adsorbed inside the filter paper, and can recover single-walled CNT from the filtrate with high yield.

濾過に用いるフィルターの孔径は、チャネル長よりも小さければよく、例えばチャネル長が20μmの場合は、孔径10μmのフィルターを用いることで電極間の短絡を確実に防ぐことができる。実際には孔径0.5〜10μmのフィルターを好ましく用いることができ、チャネル長に応じて使い分けることができる。   The pore diameter of the filter used for filtration should be smaller than the channel length. For example, when the channel length is 20 μm, a short circuit between the electrodes can be reliably prevented by using a filter having a pore diameter of 10 μm. In practice, a filter having a pore diameter of 0.5 to 10 μm can be preferably used, and can be properly used according to the channel length.

本発明に用いられる有機半導体材料は、合成過程で使用した原料や副生成物などの不純物をできるだけ除去しておくことが好ましい。その精製方法は特に限定されないが、再沈殿法、ソクスレー抽出法、濾過法、イオン交換法、キレート法等を用いることができる。中でも重合中に使用したモノマーやその副生成物、重合中に失活したダイマー等の不純物を除去する場合には、再沈殿法やソクスレー抽出法が好ましく用いられ、金属成分の除去には、再沈殿法やキレート法、イオン交換法が好ましく用いられる。これらの方法のうち、1種を単独で用いるか、あるいは複数を組み合わせてもよい。   It is preferable that impurities such as raw materials and by-products used in the synthesis process be removed as much as possible from the organic semiconductor material used in the present invention. The purification method is not particularly limited, and a reprecipitation method, a Soxhlet extraction method, a filtration method, an ion exchange method, a chelate method, and the like can be used. In particular, when removing impurities such as monomers and by-products used during polymerization and dimers deactivated during polymerization, reprecipitation method or Soxhlet extraction method is preferably used. A precipitation method, a chelate method, and an ion exchange method are preferably used. Among these methods, one kind may be used alone, or a plurality may be combined.

本発明の有機トランジスタ材料は、例えば、前記単層CNTと前記有機トランジスタ材料とを、好ましくは溶媒中で混合することにより得ることができる。より具体的には、単層CNT分散液と有機半導体材料を混合する方法や、単層CNT分散液と有機半導体材料溶液とを混合する方法などが好ましく用いられる。これらを混合した後、マグネチックスターラーや撹拌羽根を用いた撹拌や、超音波照射による振動撹拌によって溶解・分散することが好ましい。   The organic transistor material of the present invention can be obtained, for example, by mixing the single-walled CNT and the organic transistor material, preferably in a solvent. More specifically, a method of mixing a single-walled CNT dispersion and an organic semiconductor material, a method of mixing a single-walled CNT dispersion and an organic semiconductor material solution, or the like is preferably used. After mixing these, it is preferable to dissolve and disperse by stirring using a magnetic stirrer or a stirring blade, or by vibration stirring by ultrasonic irradiation.

単層CNTや有機半導体材料を溶解させる溶媒、およびCNT分散液に用いる溶媒としては、メタノール、エタノール、ブタノール、トルエン、キシレン、o−クロロフェノール、アセトン、酢酸エチル、エチレングリコール、クロロホルム、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトンなどが挙げられるが、これらに限定されず必要に応じて溶媒を選ぶことができる。   Solvents for dissolving single-walled CNTs and organic semiconductor materials, and solvents used for CNT dispersions include methanol, ethanol, butanol, toluene, xylene, o-chlorophenol, acetone, ethyl acetate, ethylene glycol, chloroform, trichloroethane, trichloroethylene. , Chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, γ-butyrolactone, and the like, but not limited thereto, and a solvent can be selected as necessary.

単層CNT分散液中の単層CNTの分散性や形状、または有機トランジスタ材料の単層CNTの分散性や形状は、単層CNT分散液または有機トランジスタ材料溶液を基板上に塗布し、塗布された膜を原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察することで評価できる。例えば、単層CNT分散液を希釈せずにそのまま塗布すれば膜中の単層CNTの分散性が観察でき、溶媒で2〜100倍に希釈して基板上に塗布すれば、単層CNT同士の重なりが少なくなり、単層CNTの太さや形状を観察して評価することができる。AFMによるCNT観察では装置の特性上、単層CNTの幅方向の太さは実際の単層CNT太さよりも大きく観察されてしまうが、高さ方向の値は実際の数値を表すので、高さの値を単層CNTの太さとして評価することができる。このようにして、単層CNTがどの程度、凝集が解かれているかを評価することができる。具体的には単層CNTが1〜10本程度の束にまで解かれていることが好ましい。   The dispersibility and shape of the single-walled CNT in the single-walled CNT dispersion, or the dispersibility and shape of the single-walled CNT of the organic transistor material are applied by applying the single-walled CNT dispersion or organic transistor material solution on the substrate. The film can be evaluated by observing the film using an atomic force microscope (AFM). For example, if the single-walled CNT dispersion is applied as it is without being diluted, the dispersibility of the single-walled CNT in the film can be observed. Can be evaluated by observing the thickness and shape of the single-walled CNTs. In the CNT observation by AFM, due to the characteristics of the apparatus, the thickness in the width direction of the single-walled CNT is observed to be larger than the actual single-walled CNT thickness, but the value in the height direction represents the actual numerical value. Can be evaluated as the thickness of the single-walled CNT. In this way, it is possible to evaluate how much the single-walled CNTs have been agglomerated. Specifically, it is preferable that single-walled CNTs are unwound into a bundle of about 1 to 10.

次に、本発明の有機FET素子について説明する。図1および図2は、本発明の有機FET素子の例を示す模式断面図である。絶縁層3で覆われたゲート電極2を有する基板1上に、図1では金等のソース電極5およびドレイン電極6が形成された後、半導体層4がこの順に形成されている。一方、図2では前記基板1上に半導体層4が形成された後、金等のソース電極5およびドレイン電極6が形成されている。本発明の有機トランジスタ材料を半導体層4に用いることにより、閾値電圧の低い有機FET素子を得ることができる。なお、閾値電圧とは、トランジスタのソースとドレイン間に流れる電流がオフからオンに立ち上がるところのゲート電圧をいう。従来、半導体層が有機半導体材料のみで形成される場合は閾値電圧が0〜10Vであるのに対し、単層CNTを含有することにより移動度が1〜2桁向上した有機FET素子においては、20V以上になってしまうという課題があった。しかし、上述の通り金属的CNTの比率の増えた単層CNTを用いることで閾値電圧を20V以下にすることができ、低電圧駆動が可能で高性能な有機FET素子を得ることができる。本発明においては、半導体特性は主に有機半導体材料が担い、単層CNTは有機半導体材料の結晶子間でのキャリアのパスをスムーズにすることを担っている。そのため、単層CNT中の金属的CNTの比率は高いほど良い。   Next, the organic FET element of the present invention will be described. 1 and 2 are schematic cross-sectional views showing examples of the organic FET element of the present invention. A source electrode 5 and a drain electrode 6 such as gold are formed on a substrate 1 having a gate electrode 2 covered with an insulating layer 3, and then a semiconductor layer 4 is formed in this order. On the other hand, in FIG. 2, after the semiconductor layer 4 is formed on the substrate 1, the source electrode 5 and the drain electrode 6 such as gold are formed. By using the organic transistor material of the present invention for the semiconductor layer 4, an organic FET element having a low threshold voltage can be obtained. Note that the threshold voltage is a gate voltage at which a current flowing between a source and a drain of a transistor rises from off to on. Conventionally, when the semiconductor layer is formed of only an organic semiconductor material, the threshold voltage is 0 to 10 V, whereas in the organic FET element in which mobility is improved by 1 to 2 digits by containing a single layer CNT, There was a problem of being over 20V. However, as described above, by using single-walled CNT having an increased metallic CNT ratio, the threshold voltage can be reduced to 20 V or less, and a high-performance organic FET element that can be driven at a low voltage can be obtained. In the present invention, the semiconductor characteristics are mainly borne by the organic semiconductor material, and the single-walled CNT is responsible for smoothing the carrier path between the crystallites of the organic semiconductor material. Therefore, the higher the ratio of metallic CNT in single-walled CNT, the better.

基板1に用いる材料としては、例えば、シリコンウエハ、ガラス、アルミナ焼結体等の無機材料、ポリイミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレン等の有機材料が挙げられる。   Examples of the material used for the substrate 1 include inorganic materials such as silicon wafers, glass and alumina sintered bodies, and organic materials such as polyimide, polyester, polycarbonate, polysulfone, polyethersulfone, polyethylene, polyphenylene sulfide, and polyparaxylene. It is done.

ゲート電極2、ソース電極5およびドレイン電極6としては、例えば、酸化錫、酸化インジウム、酸化錫インジウム(ITO)などの導電性金属酸化物、あるいは白金、金、銀、銅、鉄、錫、亜鉛、アルミニウム、インジウム、クロム、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム、カルシウム、マグネシウム、パラジウム、モリブデン、アモルファスシリコンやポリシリコンなどの金属やこれらの合金、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸の錯体、ヨウ素などのドーピングによって導電率を向上させた導電性ポリマーなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの電極材料は、単独で用いてもよいが、複数の材料を積層または混合して用いてもよい。   Examples of the gate electrode 2, the source electrode 5, and the drain electrode 6 include conductive metal oxides such as tin oxide, indium oxide, and indium tin oxide (ITO), or platinum, gold, silver, copper, iron, tin, and zinc. , Aluminum, Indium, Chromium, Lithium, Sodium, Potassium, Cesium, Calcium, Magnesium, Palladium, Molybdenum, Metals such as amorphous silicon and polysilicon and their alloys, Inorganic conductive materials such as copper iodide and copper sulfide, Polythiophene , Polypyrrole, polyaniline, polyethylene dioxythiophene and polystyrene sulfonic acid complex, and conductive polymers whose conductivity is improved by doping with iodine, but are not limited thereto. These electrode materials may be used alone, or a plurality of materials may be laminated or mixed.

上記ゲート電極2、ソース電極5およびドレイン電極6の形成方法としては、抵抗加熱蒸着、電子線ビーム、スパッタリング、メッキ、CVD、イオンプレーティングコーティング、インクジェットおよび印刷などが挙げられるが、導通を取ることができれば特に制限されない。またパターン形成方法としては、インクジェット技術やスクリーン印刷技術で直接パターンを形成することができ、また、フォトレジストを用いたリフトオフ法、電極成分や半導体層成分に感光性を付与してフォトリソグラフィーを用いる方法、膜をパターンエッチングする方法、フォトレジストを用いて基板表面に親水性面と撥水性面を形成してパターン形成する方法、全面塗布したのちに除去部分を拭き取りや掻き取りによってパターン形成する方法、あるいは電極物質の蒸着やスパッタリング時に所望の形状のマスクを介してパターン形成する方法など、何れの方法も用いることができる。   Examples of the method for forming the gate electrode 2, the source electrode 5, and the drain electrode 6 include resistance heating vapor deposition, electron beam, sputtering, plating, CVD, ion plating coating, ink jet, and printing. If it is possible, there is no particular limitation. As a pattern forming method, a pattern can be directly formed by an ink jet technique or a screen printing technique, and a lift-off method using a photoresist, photosensitivity is imparted to an electrode component or a semiconductor layer component, and photolithography is used. Method, pattern etching method of film, method of forming pattern by forming hydrophilic surface and water-repellent surface on substrate surface using photoresist, method of patterning by wiping or scraping the removed portion after coating the entire surface Alternatively, any method such as a method of forming a pattern through a mask having a desired shape at the time of electrode material vapor deposition or sputtering can be used.

絶縁層3(ゲート絶縁膜)に用いる材料としては特に限定されないが、具体的には酸化シリコン、アルミナ等の無機材料、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルクロライド、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリパラキシレン等の有機高分子材料、あるいは無機材料粉末と有機高分子材料の混合物を用いることができる。上記絶縁層の形成方法としては、特に限定されないが、抵抗加熱蒸着、電子線ビーム、スパッタリング、CVD、イオンプレーティング、スピンコート法、キャスト法、ディップ法、バーコーター法、滴下法、スプレー法、ブレードコート法、スリットダイコート法、スクリーン印刷法、鋳型塗布法、印刷転写法、浸漬引き上げ法、インクジェット法などが挙げられ、材料に応じて使用できる。   Although it does not specifically limit as a material used for the insulating layer 3 (gate insulating film), Specifically, inorganic materials, such as a silicon oxide and an alumina, a polyimide, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, a polyethylene terephthalate, a polyvinylidene fluoride, a polymethylmethacrylate, Organic polymer materials such as polystyrene and polyparaxylene, or a mixture of inorganic material powder and organic polymer material can be used. The method for forming the insulating layer is not particularly limited, but resistance heating vapor deposition, electron beam, sputtering, CVD, ion plating, spin coating method, casting method, dip method, bar coater method, dropping method, spray method, A blade coating method, a slit die coating method, a screen printing method, a mold coating method, a printing transfer method, a dip pulling method, an ink jet method, and the like can be mentioned, and they can be used depending on the material.

絶縁層3の膜厚は特に制限されないが、一般的には50nm〜3μm、好ましくは100nm〜1μmである。絶縁層は単層、もしくは複数層で構成されていてよく、単層の場合は複数の絶縁性材料を混合して形成してもよく、また複数層の場合は複数の絶縁性材料を積層して形成しても構わない。   The thickness of the insulating layer 3 is not particularly limited, but is generally 50 nm to 3 μm, preferably 100 nm to 1 μm. The insulating layer may be composed of a single layer or a plurality of layers. In the case of a single layer, it may be formed by mixing a plurality of insulating materials. In the case of a plurality of layers, a plurality of insulating materials are laminated. May be formed.

半導体層4の形成方法としては、スピンコート法、ブレードコート法、スリットダイコート法、スクリーン印刷法、バーコーター法、鋳型法、印刷転写法、浸漬引き上げ法、インクジェット法、ディスペンス法など何れの方法でも用いることができ、塗膜厚み制御や配向制御など、得ようとする塗膜特性に応じて塗布方法を選択できる。例えばスピンコート塗布を行う場合には有機半導体材料の溶液の濃度は1〜20g/lであると、厚み5〜200nmの塗膜を得ることができる。形成した塗膜に対して、大気下、減圧下または不活性ガス雰囲気下(窒素やアルゴン雰囲気下)でアニーリング処理を行ってもよい。   As a method for forming the semiconductor layer 4, any method such as a spin coating method, a blade coating method, a slit die coating method, a screen printing method, a bar coater method, a mold method, a printing transfer method, a dip pulling method, an ink jet method, a dispensing method, etc. The coating method can be selected according to the properties of the coating film to be obtained, such as coating thickness control and orientation control. For example, when spin coating is performed, a coating film having a thickness of 5 to 200 nm can be obtained when the concentration of the organic semiconductor material solution is 1 to 20 g / l. The formed coating film may be annealed in the air, under reduced pressure, or in an inert gas atmosphere (in a nitrogen or argon atmosphere).

半導体層4の膜厚は5nm以上100nm以下が好ましい。この範囲の膜厚にすることにより、均一な薄膜形成が容易になり、さらにゲート電圧によって制御できないソース・ドレイン間電流を抑制し、有機FET素子のオンオフ比をより高くすることができる。膜厚は通常、原子間力顕微鏡やエリプソメトリ法などにより測定できる。半導体層は単層でも複数層でもよく、単層の場合は複数の有機半導体材料を混合して形成してもよく、複数層の場合は複数の有機半導体材料を積層して形成してもかまわない。   The thickness of the semiconductor layer 4 is preferably 5 nm or more and 100 nm or less. By setting the film thickness within this range, it becomes easy to form a uniform thin film, and further, the source-drain current that cannot be controlled by the gate voltage can be suppressed, and the on / off ratio of the organic FET element can be further increased. The film thickness can usually be measured by an atomic force microscope or an ellipsometry method. The semiconductor layer may be a single layer or a plurality of layers. In the case of a single layer, it may be formed by mixing a plurality of organic semiconductor materials. In the case of a plurality of layers, a plurality of organic semiconductor materials may be stacked. Absent.

また、絶縁層3と半導体層4の間に配向性層を設けることもできる。配向性層には、シラン化合物、チタン化合物、有機酸、ヘテロ有機酸など、公知の材料を用いることができ、シラン化合物が好適に用いられる。シラン化合物では、シラン残基の一部または全部が絶縁層表面と反応し、化学結合することで薄膜を形成する。反応を円滑に進めるために、シラン残基が、ハロゲン原子、水酸基またはアルコキシ基を有していることが好ましい。配向性層は、絶縁層表面の濡れ性を改善し、半導体層の膜形成能を向上させるだけではなく、有機トランジスタ材料の配向性を高め、移動度をより向上させる効果もある。   In addition, an orientation layer can be provided between the insulating layer 3 and the semiconductor layer 4. A well-known material, such as a silane compound, a titanium compound, an organic acid, and a hetero organic acid, can be used for the orientation layer, and a silane compound is preferably used. In the silane compound, a part or all of the silane residues react with the surface of the insulating layer and chemically bond to form a thin film. In order to facilitate the reaction, the silane residue preferably has a halogen atom, a hydroxyl group or an alkoxy group. The orientation layer not only improves the wettability of the surface of the insulating layer and improves the film forming ability of the semiconductor layer, but also has the effect of enhancing the orientation of the organic transistor material and further improving the mobility.

このようにして形成された有機FET素子は、ソース電極とドレイン電極との間に流れる電流をゲート電圧を変化させることによって制御することができる。有機FET素子の移動度は、下記の(a)式を用いて算出することができる。   In the organic FET element thus formed, the current flowing between the source electrode and the drain electrode can be controlled by changing the gate voltage. The mobility of the organic FET element can be calculated using the following equation (a).

μ=(δId/δVg)L・D/(W・ε・ε・Vsd) (a)
ただしIdはソース・ドレイン間の電流(A)、Vsdはソース・ドレイン間の電圧(V)、Vgはゲート電圧(V)、Dは絶縁層の厚み(m)、Lはチャネル長(m)、Wはチャネル幅(m)、εは絶縁層の比誘電率(ここではSiOの3.9を使用)、εは真空の誘電率(8.85×10−12F/m)である。
μ = (δId / δVg) L · D / (W · ε r · ε · Vsd) (a)
Where Id is the source-drain current (A), Vsd is the source-drain voltage (V), Vg is the gate voltage (V), D is the thickness of the insulating layer (m), and L is the channel length (m). , W is the channel width (m), ε r is the dielectric constant of the insulating layer (here, SiO 2 3.9 is used), and ε is the vacuum dielectric constant (8.85 × 10 −12 F / m). is there.

また、あるマイナスのゲート電圧におけるId(オン電流)の値と、あるプラスのゲート電圧におけるId(オフ電流)の値の比からオンオフ比を求めることができる。   Further, the on / off ratio can be obtained from the ratio of the value of Id (on current) at a certain negative gate voltage to the value of Id (off current) at a certain positive gate voltage.

さらに、ドレイン電流の絶対値の平方根と、ゲート電圧の関係からドレイン電流Id=0に外挿することにより閾値電圧を求めることができる。   Furthermore, the threshold voltage can be obtained by extrapolating the drain current Id = 0 from the relationship between the square root of the absolute value of the drain current and the gate voltage.

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。ただし、本発明は下記実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

実施例1
はじめに、半導体的CNT比率を減らして金属的CNT比率を増やす処理を行った。CNTは単層カーボンナノチューブ(サイエンスラボラトリーズ社から購入したHiPco法のCNT、純度95%)を精製せずにそのまま用いた。CNT5mgと30%過酸化水素水2mlをフラスコに入れ、撹拌しながら90℃のオイルバスで3時間加熱処理を行った。処理後のCNTを、吸引濾過器を用いて孔径0.45μmのメンブレンフィルター上に捕集し、水洗した後、真空乾燥して酸化処理CNT1.1mg(収率22%)を得た。
Example 1
First, a process of increasing the metallic CNT ratio by reducing the semiconducting CNT ratio was performed. As the CNT, single-walled carbon nanotubes (HiPco CNT purchased from Science Laboratories, Inc., purity 95%) were used as they were without purification. 5 mg of CNT and 2 ml of 30% hydrogen peroxide solution were placed in a flask and heat-treated in an oil bath at 90 ° C. for 3 hours while stirring. The treated CNTs were collected on a membrane filter having a pore diameter of 0.45 μm using a suction filter, washed with water, and then vacuum-dried to obtain 1.1 mg of oxidized CNTs (22% yield).

次に、ポリ−3−ヘキシルチオフェン(以下、P3HTと略す)(アルドリッチ社製、レジオレギュラー)を再沈殿法により精製した。P3HT20mgにクロロホルム5mlを加えて溶解し、孔径0.45μmのメンブレンフィルターによってろ過を行い、ろ液をメタノール15mlと0.1規定塩酸15mlの混合液の中に滴下し、沈澱したP3HTを、ろ別によって孔径0.45μmのメンブレンフィルター上に捕集し、真空乾燥により溶媒を除去した。この操作を2回繰り返して精製した。   Next, poly-3-hexylthiophene (hereinafter abbreviated as P3HT) (manufactured by Aldrich, regioregular) was purified by a reprecipitation method. Add 5 ml of chloroform to 20 mg of P3HT, dissolve, filter through a membrane filter with a pore size of 0.45 μm, drop the filtrate into a mixture of 15 ml of methanol and 15 ml of 0.1 N hydrochloric acid, and filter the precipitated P3HT. Was collected on a membrane filter having a pore diameter of 0.45 μm, and the solvent was removed by vacuum drying. This procedure was repeated twice for purification.

ついで、上記方法で精製したP3HTを用いてCNT分散液を作製した。酸化処理CNT1.5mgと精製したP3HT1.5mgと、クロロホルム30mlを50mlのサンプル管に入れ、CNT混合液を調製し、超音波ホモジナイザー(東京理化器械(株)製VCX−502、出力250W、直接照射)を用いて超音波照射した。超音波ホモジナイザーは、超音波照射用のプローブに直径13mmのチタン合金製のものを用い、プローブ表面を予め目の細かいサンドペーパーで研磨しておき、表面粗さRaが1μm以下になるようにして使用した。超音波照射を30分行った時点で一度照射を停止し、精製したP3HTを1.5mg追加し、さらに1分間超音波照射して、表面に共役系重合体が付着したCNT分散液a(溶媒に対するCNTの濃度0.05g/l、溶媒に対するP3HTの濃度0.1g/l)を得た。   Next, a CNT dispersion was prepared using P3HT purified by the above method. Add 1.5 mg of oxidized CNT, 1.5 mg of purified P3HT, and 30 ml of chloroform into a 50 ml sample tube to prepare a CNT mixture, ultrasonic homogenizer (VCX-502, Tokyo Rika Kikai Co., Ltd., output 250 W, direct irradiation) ) Was used for ultrasonic irradiation. The ultrasonic homogenizer uses a titanium alloy probe with a diameter of 13 mm for ultrasonic irradiation, and the surface of the probe is polished in advance with fine sandpaper so that the surface roughness Ra is 1 μm or less. used. When the ultrasonic irradiation was performed for 30 minutes, the irradiation was stopped once, 1.5 mg of purified P3HT was added, and the ultrasonic irradiation was further performed for 1 minute, and the CNT dispersion a (solvent with the conjugated polymer attached to the surface) (solvent CNT concentration to 0.05 g / l and P3HT concentration to solvent 0.1 g / l).

ここで、CNT分散液aの中のCNTの表面に共役系重合体が付着していることを、次の方法で確認した。CNT分散液a3mlを、孔径0.1μm、直径13mmのメンブレンフィルターを用いてろ過を行い、クロロホルム3mlで2回洗浄し、フィルター上にCNT膜を形成した。次いで、CNT膜を3cm角の清浄なシリコンウエハ上に押しつけて転写し、真空乾燥した。該CNT膜をX線電子分光法(XPS)によって解析を行ったところ、P3HTに含まれる硫黄元素が検出され、CNTの表面に共役系重合体が付着していることがわかった。   Here, it was confirmed by the following method that the conjugated polymer adhered to the surface of the CNT in the CNT dispersion a. The CNT dispersion a3 ml was filtered using a membrane filter having a pore diameter of 0.1 μm and a diameter of 13 mm, washed twice with 3 ml of chloroform, and a CNT film was formed on the filter. Next, the CNT film was pressed onto a 3 cm square clean silicon wafer, transferred, and vacuum dried. When the CNT film was analyzed by X-ray electron spectroscopy (XPS), sulfur element contained in P3HT was detected, and it was found that a conjugated polymer was attached to the surface of CNT.

次いで、CNT分散液a(CNT濃度0.05g/l)を3cm角のガラス基板上に塗布して単層CNT膜を形成し、分光光度計(日立製作所製U3410)を用いて波長1000nmおよび1200nmでの吸光度を測定した。塗布はスピンコーターを用い、塗布を10回繰り返して、厚み35nmの単層CNT膜を形成した。半導体的CNTに固有の吸収が表れる波長1200nmの吸光度を測定したところ0.027であった。また膜厚にのみ依存する波長1000nmでの吸光度は0.036であった。すなわち、B/Aの値は0.75であった。   Subsequently, the CNT dispersion a (CNT concentration 0.05 g / l) was applied onto a 3 cm square glass substrate to form a single-layer CNT film, and wavelengths of 1000 nm and 1200 nm using a spectrophotometer (H3410 manufactured by Hitachi, Ltd.). The absorbance at was measured. The application was repeated 10 times using a spin coater to form a single-wall CNT film having a thickness of 35 nm. The absorbance at a wavelength of 1200 nm at which the intrinsic absorption of semiconducting CNT appears was 0.027. The absorbance at a wavelength of 1000 nm, which depends only on the film thickness, was 0.036. That is, the value of B / A was 0.75.

次いで半導体層用の塗布液を調製した。上述の分散液aにクロロホルムを加えて0.02g/lに希釈し、メンブレンフィルター(孔径10μm、直径25mm、ミリポア社製オムニポアメンブレン)を用いてろ過を行い、長さ10μm以上のCNTを除去した。ろ液には大半のCNTが含まれていた。得られたろ液をCNT分散液cとした。CNT分散液c0.6mlと、クロロホルム0.4mlと、精製したP3HT3mgを容積10mlのサンプル管に入れ、超音波洗浄機(井内盛栄堂(株)製US−2、出力120W、間接照射)を用いて30分間超音波撹拌することにより、半導体層用の塗布液(溶媒に対するP3HTの濃度3g/l、溶媒に対するCNTの濃度約0.012g/l、P3HT100重量部に対するCNTの重量が0.4重量部)を得た。   Next, a coating solution for the semiconductor layer was prepared. Chloroform is added to the above dispersion a to dilute to 0.02 g / l, and filtration is performed using a membrane filter (pore size 10 μm, diameter 25 mm, Omnipore membrane manufactured by Millipore) to remove CNTs having a length of 10 μm or more. did. The filtrate contained most of the CNTs. The obtained filtrate was designated as CNT dispersion c. CNT dispersion c0.6 ml, chloroform 0.4 ml, and purified P3HT 3 mg are put into a sample tube with a volume of 10 ml, and an ultrasonic cleaner (US-2 manufactured by Inoue Seieido Co., Ltd., output 120 W, indirect irradiation) is used. For 30 minutes, the coating solution for the semiconductor layer (concentration of P3HT with respect to the solvent was 3 g / l, concentration of CNT with respect to the solvent was about 0.012 g / l, and the weight of CNT with respect to 100 parts by weight of P3HT was 0.4 wt. Part).

次いで、有機電界効果型トランジスタを以下の要領で作製した。この有機FET素子の構造を図1に示した。   Next, an organic field effect transistor was fabricated in the following manner. The structure of this organic FET element is shown in FIG.

有機FET素子の基板には熱酸化によるSiO膜(膜厚300nm)付きのアンチモンドープシリコンウエハ(抵抗率0.02Ωcm以下)を用いた。ここで、シリコンウエハは基板1であると同時に、ゲート電極2であり、熱酸化膜は絶縁層3となる。次に以下の手順に基づき、金のソース電極5およびドレイン電極6を形成した。熱酸化膜付きのシリコンウエハ上にポジ型レジスト溶液を滴下し、スピナーを用いて塗布した後、90℃のホットプレートで乾燥し、レジスト膜を形成した。次いで露光機を用いて、フォトマスクを介した紫外線照射を行った。次いでレジスト膜の付いたウエハをアルカリ水溶液に浸漬し、紫外線照射部を除去し、櫛形電極が抜けた形状のレジスト膜を得た。前述のレジスト膜付きのウエハ上に、クロムを厚み5nmになるよう真空蒸着し、次いで金を厚み45nmになるように真空蒸着した。次いで、金/クロムとレジストの付いたウエハをアセトン中に浸漬し、超音波洗浄機で超音波照射することによって、レジスト上の金/クロムを除去した。このようにして、ウエハ上に金の両櫛形電極を形成した。これら両電極の幅(チャネル幅)は0.5cm、両電極の間隔(チャネル長)は20μm、電極高さは50nmとした。 The substrate of the organic FET element was an antimony-doped silicon wafer (resistivity 0.02 Ωcm or less) with a SiO 2 film (film thickness 300 nm) formed by thermal oxidation. Here, the silicon wafer is the substrate 1 as well as the gate electrode 2, and the thermal oxide film is the insulating layer 3. Next, a gold source electrode 5 and a drain electrode 6 were formed based on the following procedure. A positive resist solution was dropped onto a silicon wafer with a thermal oxide film, applied using a spinner, and then dried on a hot plate at 90 ° C. to form a resist film. Subsequently, ultraviolet rays were irradiated through a photomask using an exposure machine. Next, the wafer with the resist film was immersed in an alkaline aqueous solution, the ultraviolet irradiation part was removed, and a resist film having a shape in which the comb-shaped electrode was removed was obtained. On the wafer with the resist film, chromium was vacuum-deposited to a thickness of 5 nm, and then gold was vacuum-deposited to a thickness of 45 nm. Next, the gold / chrome on the resist was removed by immersing the wafer with gold / chromium and the resist in acetone and irradiating the wafer with an ultrasonic cleaner. In this manner, gold comb electrodes were formed on the wafer. The width (channel width) of both electrodes was 0.5 cm, the distance (channel length) between both electrodes was 20 μm, and the electrode height was 50 nm.

次いで、上述のソース電極、ドレイン電極により形成されたチャネルの上に半導体層用の塗布液0.05mlを滴下し、スピンコート法(回転速度1000rpm、0.3秒)で膜厚25nmの薄膜を形成した。このとき、ソース電極、ドレイン電極はいずれも、重合体コンポジット溶液に含まれるクロロホルムによる溶出や浸食はしておらず、もとの形状を維持していることが光学顕微鏡観察から確認された。ソース電極、ドレイン電極に銀線と銀ペーストを用いてリード線を取りつけた後、110℃の真空乾燥機中に2時間静置し、50℃以下になるまで徐冷して乾燥機から取り出した。こうして有機FET素子を作製した。   Next, 0.05 ml of a coating solution for a semiconductor layer is dropped on the channel formed by the above-described source electrode and drain electrode, and a thin film having a thickness of 25 nm is formed by spin coating (rotation speed: 1000 rpm, 0.3 seconds). Formed. At this time, neither the source electrode nor the drain electrode was eluted or eroded by chloroform contained in the polymer composite solution, and it was confirmed from observation with an optical microscope that the original shape was maintained. After the lead wires were attached to the source and drain electrodes using silver wire and silver paste, they were left in a vacuum dryer at 110 ° C. for 2 hours, slowly cooled to 50 ° C. or lower, and taken out from the dryer. . Thus, an organic FET element was produced.

得られた有機FET素子を測定ボックスに移動させ、真空にして18時間静置した後、電流電圧特性を測定し、FET特性を調べた。測定装置にはケースレーインスツルメンツ社製半導体特性評価システム4200−SCSを用い、測定ボックスは1torr以下の減圧状態を保持しておいた。   The obtained organic FET element was moved to a measurement box, left in a vacuum for 18 hours, and then the current-voltage characteristics were measured to examine the FET characteristics. As a measuring device, a semiconductor characteristic evaluation system 4200-SCS manufactured by Keithley Instruments Inc. was used, and the measurement box kept a reduced pressure state of 1 torr or less.

有機FET素子のゲート電圧(Vg)を変えたときのソース・ドレイン間電流(Isd)−ソース・ドレイン間電圧(Vsd)を測定しFET特性を求めたところ、移動度が3.0×10−2cm/V・sec、オンオフ比が8.5×10、閾値電圧が11Vと非常に良好な値が得られた。 When the gate-voltage (Vg) of the organic FET element was changed, the source-drain current (Isd) −source-drain voltage (Vsd) were measured to determine the FET characteristics. The mobility was 3.0 × 10 − A very good value of 2 cm 2 / V · sec, an on / off ratio of 8.5 × 10 4 , and a threshold voltage of 11 V were obtained.

実施例2
CNTの過酸化水素処理を3時間から1時間に換えた以外は実施例1と同様の操作を行った。酸化処理後のCNTの収量は3mg(収率60%)であった。厚み35nmの単層CNT膜の吸光度を波長1000nmおよび1200nmで測定したところ、それぞれ0.036、0.029であり、B/Aの値は0.81であった。
Example 2
The same operation as in Example 1 was performed except that the hydrogen peroxide treatment of CNT was changed from 3 hours to 1 hour. The yield of CNT after the oxidation treatment was 3 mg (yield 60%). The absorbance of the single-wall CNT film having a thickness of 35 nm was measured at a wavelength of 1000 nm and 1200 nm, which were 0.036 and 0.029, respectively, and the value of B / A was 0.81.

該CNTを用いて半導体層用の塗布液を調製し、有機FET素子を作製した。有機FET素子のゲート電圧(Vg)を変えたときのソース・ドレイン間電流(Isd)−ソース・ドレイン間電圧(Vsd)を測定しFET特性を求めたところ、移動度が3.6×10−2cm/V・sec、オンオフ比が2.2×10、閾値電圧が17Vと良好な値が得られた。 A coating solution for a semiconductor layer was prepared using the CNTs to produce an organic FET element. The FET characteristics were determined by measuring the source-drain current (Isd) -source-drain voltage (Vsd) when the gate voltage (Vg) of the organic FET element was changed, and the mobility was 3.6 × 10 Good values of 2 cm 2 / V · sec, an on / off ratio of 2.2 × 10 4 , and a threshold voltage of 17 V were obtained.

実施例3
CNTの過酸化水素処理を3時間から5時間に換えた以外は実施例1と同様の操作を行った。酸化処理後のCNTの収量は0.3mg(収率6%)であった。厚み35nmの単層CNT膜の吸光度を波長1000nmおよび1200nmで測定したところ、それぞれ0.036、0.022であり、B/Aの値は0.61であった。
Example 3
The same operation as in Example 1 was performed except that the hydrogen peroxide treatment of CNT was changed from 3 hours to 5 hours. The yield of CNT after the oxidation treatment was 0.3 mg (yield 6%). The absorbance of the single-wall CNT film having a thickness of 35 nm was measured at a wavelength of 1000 nm and 1200 nm, which were 0.036 and 0.022, respectively, and the value of B / A was 0.61.

該CNTを用いて半導体層用の塗布液を調製し、有機FET素子を作製した。有機FET素子のゲート電圧(Vg)を変えたときのソース・ドレイン間電流(Isd)−ソース・ドレイン間電圧(Vsd)を測定しFET特性を求めたところ、移動度が2.3×10−2cm/V・sec、オンオフ比が8.0×10、閾値電圧が10Vと良好な値が得られた。 A coating solution for a semiconductor layer was prepared using the CNTs to produce an organic FET element. When the gate-voltage (Vg) of the organic FET element was changed, the source-drain current (Isd) −source-drain voltage (Vsd) were measured to determine the FET characteristics. The mobility was 2.3 × 10 Good values of 2 cm 2 / V · sec, an on / off ratio of 8.0 × 10 4 , and a threshold voltage of 10 V were obtained.

実施例4
上述の実施例1で処理したCNTを用い、P3HT100重量部に対するCNTの重量を0.4重量部から0.1重量部に換えた以外は実施例1と同様の操作を行った。有機FET素子を作製し、有機FET素子のゲート電圧(Vg)を変えたときのソース・ドレイン間電流(Isd)−ソース・ドレイン間電圧(Vsd)を測定し、FET特性を求めたところ、移動度が1.1×10−2cm/V・sec、オンオフ比が1.0×10、閾値電圧が9Vと良好な値が得られた。
Example 4
The same operation as in Example 1 was performed except that the CNT treated in Example 1 was used and the weight of CNT with respect to 100 parts by weight of P3HT was changed from 0.4 parts by weight to 0.1 parts by weight. When an organic FET element was produced, the source-drain current (Isd) -source-drain voltage (Vsd) when the gate voltage (Vg) of the organic FET element was changed was measured, and the FET characteristics were obtained. The degree was 1.1 × 10 −2 cm 2 / V · sec, the on / off ratio was 1.0 × 10 5 , and the threshold voltage was 9 V. Good values were obtained.

実施例5
上述の実施例1で処理したCNTを用い、P3HT100重量部に対するCNTの重量を0.4重量部から1.0重量部に換えた以外は実施例1と同様の操作を行った。有機FET素子を作製し、有機FET素子のゲート電圧(Vg)を変えたときのソース・ドレイン間電流(Isd)−ソース・ドレイン間電圧(Vsd)を測定し、FET特性を求めたところ、移動度が5.2×10−2cm/V・sec、オンオフ比が1.1×10、閾値電圧が15Vと良好な値が得られた。
Example 5
The same operation as in Example 1 was performed except that the CNT treated in Example 1 was used and the weight of CNT with respect to 100 parts by weight of P3HT was changed from 0.4 part by weight to 1.0 part by weight. When an organic FET element was produced, the source-drain current (Isd) -source-drain voltage (Vsd) when the gate voltage (Vg) of the organic FET element was changed was measured, and the FET characteristics were obtained. The degree was 5.2 × 10 −2 cm 2 / V · sec, the on / off ratio was 1.1 × 10 4 , and the threshold voltage was 15 V. Good values were obtained.

実施例6
上述の実施例1で処理したCNTを用い、P3HT100重量部に対するCNTの重量を0.4重量部から2.0重量部に換えた以外は実施例1と同様の操作を行った。有機FET素子を作製し、有機FET素子のゲート電圧(Vg)を変えたときのソース・ドレイン間電流(Isd)−ソース・ドレイン間電圧(Vsd)を測定し、FET特性を求めたところ、移動度が9.2×10−2cm/V・sec、オンオフ比が1.1×10、閾値電圧が19Vであった。
Example 6
The same operation as in Example 1 was performed except that the CNT treated in Example 1 was used and the weight of CNT relative to 100 parts by weight of P3HT was changed from 0.4 parts by weight to 2.0 parts by weight. When an organic FET element was produced, the source-drain current (Isd) -source-drain voltage (Vsd) when the gate voltage (Vg) of the organic FET element was changed was measured, and the FET characteristics were obtained. The degree was 9.2 × 10 −2 cm 2 / V · sec, the on / off ratio was 1.1 × 10 3 , and the threshold voltage was 19V.

実施例7
一般式(1)で表される化合物として下記化合物[1]を次の方法で合成した。なお、合成化合物同定のためのH−NMRは超伝導FT−NMR「EX−270」(日本電子(株)製)を用い、重クロロホルム溶液にて測定を行った。
Example 7
The following compound [1] was synthesized by the following method as the compound represented by the general formula (1). In addition, 1 H-NMR for synthetic compound identification was measured with a deuterated chloroform solution using superconducting FT-NMR “EX-270” (manufactured by JEOL Ltd.).

Figure 2009033126
Figure 2009033126

3−n−ヘキシルチオフェン60gをジメチルホルムアミド400mlに溶解し、N−ブロモスクシンイミド50gを加え、窒素雰囲気下、室温で4時間撹拌した。得られた溶液に水200mlとヘキサン200mlを加え、有機層を分取した。水200mlで洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液からロータリーエバポレーターを用いて溶媒を減圧留去し、2−ブロモ−3−n−ヘキシルチオフェン60gを得た。   60 g of 3-n-hexylthiophene was dissolved in 400 ml of dimethylformamide, 50 g of N-bromosuccinimide was added, and the mixture was stirred at room temperature for 4 hours under a nitrogen atmosphere. 200 ml of water and 200 ml of hexane were added to the resulting solution, and the organic layer was separated. After washing with 200 ml of water, it was dried over magnesium sulfate. From the obtained solution, the solvent was distilled off under reduced pressure using a rotary evaporator to obtain 60 g of 2-bromo-3-n-hexylthiophene.

次に、マグネシウム粉末4.3gとヨウ素10mgをテトラヒドロフラン100mlに加え、窒素雰囲気下で30分撹拌した。ここへ、上記2−ブロモ−3−n−ヘキシルチオフェン42gとテトラヒドロフラン100mlの混合溶液を滴下し、1時間加熱還流した。室温に冷却後、5,5’−ジブロモ−2,2’−ビチオフェン20gとテトラヒドロフラン200mlの混合溶液を加え、さらにジフェニルホスフィノプロパンニッケル(II)ジクロライド0.48gを少しずつ加え、窒素雰囲気下で3時間加熱還流した。得られた溶液に1N塩化アンモニウム水溶液800mlとヘキサン600mlを加え、有機層を分取した。飽和炭酸水素ナトリウム水溶液200mlと水200mlで洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液をロータリーエバポレーターで濃縮した後、カラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:ヘキサン)で精製し、下記式に示す4Tを28g得た。   Next, 4.3 g of magnesium powder and 10 mg of iodine were added to 100 ml of tetrahydrofuran and stirred for 30 minutes under a nitrogen atmosphere. A mixed solution of 42 g of 2-bromo-3-n-hexylthiophene and 100 ml of tetrahydrofuran was added dropwise thereto, and the mixture was heated to reflux for 1 hour. After cooling to room temperature, a mixed solution of 20 g of 5,5′-dibromo-2,2′-bithiophene and 200 ml of tetrahydrofuran was added, and 0.48 g of diphenylphosphinopropanenickel (II) dichloride was added little by little, and under a nitrogen atmosphere. Heated to reflux for 3 hours. To the obtained solution, 800 ml of 1N aqueous ammonium chloride solution and 600 ml of hexane were added, and the organic layer was separated. The extract was washed with 200 ml of a saturated aqueous sodium hydrogen carbonate solution and 200 ml of water, and then dried over magnesium sulfate. The resulting solution was concentrated by a rotary evaporator and purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: hexane) to obtain 28 g of 4T represented by the following formula.

Figure 2009033126
Figure 2009033126

16.3gの上記4Tとテトラヒドロフラン20mlの混合溶液を−30℃に冷却した後、n−ブチルリチウム溶液(1.6mol/lのヘキサン溶液)21mlを滴下し、室温で1時間撹拌した。混合溶液を−10℃に冷却し、2−イソポロポキシ−4,4,5,5−テトラメチル−[1,3,2]ジオキサボロラン5.7gを加え、室温で3時間撹拌した。得られた溶液に1N塩酸水溶液33ml、水200mlおよびジクロロメタン200mlを加え、有機層を分取した。水100mlで洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液をロータリーエバポレーターで濃縮した後、カラムクロマトグラフィー(充填材:シリカゲル、溶離液:ヘキサン/ジクロロメタン)で精製し、下記式に示す4T−BPinを11g得た。   After cooling a mixed solution of 16.3 g of the above 4T and 20 ml of tetrahydrofuran to −30 ° C., 21 ml of n-butyllithium solution (1.6 mol / l hexane solution) was added dropwise and stirred at room temperature for 1 hour. The mixed solution was cooled to −10 ° C., 5.7 g of 2-isoporopoxy-4,4,5,5-tetramethyl- [1,3,2] dioxaborolane was added, and the mixture was stirred at room temperature for 3 hours. To the obtained solution, 33 ml of 1N hydrochloric acid aqueous solution, 200 ml of water and 200 ml of dichloromethane were added, and the organic layer was separated. After washing with 100 ml of water, it was dried over magnesium sulfate. The resulting solution was concentrated by a rotary evaporator and then purified by column chromatography (filler: silica gel, eluent: hexane / dichloromethane) to obtain 11 g of 4T-BPin represented by the following formula.

Figure 2009033126
Figure 2009033126

1.6gの上記4T−BPinと4,4’−ジブロモスチルベン0.30g、トルエン50mlの混合溶液に、エタノール10mlと2Nの炭酸ナトリウム水溶液15ml、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)31mgを加え、窒素気流下110℃で9時間還流した。得られた溶液中に析出した固体をろ取し、水20ml、エタノール20ml、トルエン20mlで洗浄後、トルエンから再結晶した。真空乾燥した後、橙色粉末0.90gを得た。得られた粉末のH−NMR分析結果は次の通りであり、化合物[1]であることを確認した。
H−NMR(CDCl(d=ppm)):0.89-0.93(t,12H),1.26-1.42(m,24H),1.57-1.68(m,8H),2.74-2.82(m,8H),6.93-6.96(m,6H),7.02(d,2H),7.06(d,2H),7.13-7.24(m,8H),7.52-7.63(dd,8H)
半導体層をP3HTから化合物[1]に換えた以外は実施例3と同様の操作を行って半導体層用の塗布液を調製し、有機FET素子を作製した。CNTは、過酸化水素処理5時間行ったものを用い、厚み35nmの単層CNT膜の波長1000nmおよび1200nmで吸光度が、それぞれ0.036、0.022で、B/Aの値が0.61のものを用いた。有機FET素子のゲート電圧(Vg)を変えたときのソース・ドレイン間電流(Isd)−ソース・ドレイン間電圧(Vsd)を測定しFET特性を求めたところ、移動度が4.7×10−2cm/V・sec、オンオフ比が8.5×10、閾値電圧が11Vと良好な値が得られた。
To a mixed solution of 1.6 g of the above 4T-BPin, 0.34 g of 4,4′-dibromostilbene and 50 ml of toluene, 10 ml of ethanol, 15 ml of 2N sodium carbonate aqueous solution and 31 mg of tetrakis (triphenylphosphine) palladium (0) The mixture was refluxed at 110 ° C. for 9 hours under a nitrogen stream. The solid precipitated in the resulting solution was collected by filtration, washed with 20 ml of water, 20 ml of ethanol, and 20 ml of toluene, and then recrystallized from toluene. After vacuum drying, 0.90 g of orange powder was obtained. The results of 1 H-NMR analysis of the obtained powder are as follows and confirmed to be compound [1].
1 H-NMR (CDCl 3 (d = ppm)): 0.89-0.93 (t, 12H), 1.26-1.42 (m, 24H), 1.57-1.68 (m, 8H), 2.74-2.82 (m, 8H), 6.93-6.96 (m, 6H), 7.02 (d, 2H), 7.06 (d, 2H), 7.13-7.24 (m, 8H), 7.52-7.63 (dd, 8H)
A coating solution for the semiconductor layer was prepared in the same manner as in Example 3 except that the semiconductor layer was changed from P3HT to compound [1] to prepare an organic FET element. The CNT was treated with hydrogen peroxide for 5 hours. The absorbance of the single-walled CNT film having a thickness of 35 nm at a wavelength of 1000 nm and 1200 nm was 0.036 and 0.022, respectively, and the B / A value was 0.61. The thing of was used. When the gate-voltage (Vg) of the organic FET element was changed, the source-drain current (Isd) -source-drain voltage (Vsd) was measured to determine the FET characteristics. The mobility was 4.7 × 10 Good values of 2 cm 2 / V · sec, an on / off ratio of 8.5 × 10 4 , and a threshold voltage of 11 V were obtained.

比較例1
CNTの過酸化水素処理を行わなかった以外は実施例1と同様の操作を行った。過酸化水素処理を行わなかったCNTを用い、上述の分散方法で調製したCNT分散液b(CNT濃度0.05g/l)をガラス基板上に塗布し、得られた厚み35nmの単層CNT膜について吸光度を波長1200nmおよび1000nmで測定したところ、それぞれ0.037、0.037であり、B/Aの値は1.0であった。
Comparative Example 1
The same operation as in Example 1 was performed except that CNT was not subjected to hydrogen peroxide treatment. A single-walled CNT film having a thickness of 35 nm was obtained by applying CNT dispersion b (CNT concentration 0.05 g / l) prepared by the above-described dispersion method onto a glass substrate using CNT that had not been subjected to hydrogen peroxide treatment. When the absorbance was measured at wavelengths of 1200 nm and 1000 nm, it was 0.037 and 0.037, respectively, and the value of B / A was 1.0.

該CNTを用いて半導体層用の塗布液を調製し、有機FET素子を作製した。有機FET素子のゲート電圧(Vg)を変えたときのソース・ドレイン間電流(Isd)−ソース・ドレイン間電圧(Vsd)を測定しFET特性を求めたところ、移動度は4.3×10−2cm/V・sec、オンオフ比は3.0×10と良好な値であったが、閾値電圧が25Vと大きかった。 A coating solution for a semiconductor layer was prepared using the CNTs to produce an organic FET element. When the gate-voltage (Vg) of the organic FET element was changed, the source-drain current (Isd) −source-drain voltage (Vsd) were measured to determine the FET characteristics. The mobility was 4.3 × 10 − 2 cm 2 / V · sec and the on / off ratio were as good as 3.0 × 10 4 , but the threshold voltage was as large as 25V.

比較例2
半導体層をP3HTから化合物[1]に換えた以外は比較例1と同様の操作を行って半導体層用の塗布液を調製し、有機FET素子を作製した。CNTは過酸化水素処理を行わなかったものを用い、厚み35nmのCNT膜の波長1200nmおよび1000nmの吸光度が、それぞれ0.037、0.037で、B/Aの値が1.0のものを用いた。有機FET素子のゲート電圧(Vg)を変えたときのソース・ドレイン間電流(Isd)−ソース・ドレイン間電圧(Vsd)を測定しFET特性を求めたところ、移動度は6.5×10−2cm/V・sec、オンオフ比は4.0×10と良好な値であったが、閾値電圧が27Vと大きかった。
Comparative Example 2
A coating solution for the semiconductor layer was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that the semiconductor layer was changed from P3HT to compound [1] to prepare an organic FET element. CNTs that had not been subjected to hydrogen peroxide treatment were used. Absorbance at a wavelength of 1200 nm and 1000 nm of a CNT film having a thickness of 35 nm was 0.037 and 0.037, respectively, and a B / A value was 1.0. Using. When the gate-voltage (Vg) of the organic FET element was changed, the source-drain current (Isd) −source-drain voltage (Vsd) were measured to determine the FET characteristics. The mobility was 6.5 × 10 − 2 cm 2 / V · sec and the on / off ratio were 4.0 × 10 4 and good values, but the threshold voltage was as high as 27V.

各実施例および比較例の評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the evaluation results of the examples and comparative examples.

Figure 2009033126
Figure 2009033126

本発明の有機FET素子は、塗布法などの低コストプロセスを用いて作製でき、高移動度かつ低閾値電圧といった優れた特性を有するので、液晶ディスプレイ、エレクトロルミネッセンス(EL)ディスプレイ、電子ペーパーディスプレイなどの薄膜トランジスタに用いられる。スマートカード、セキュリティータグのトランジスタなどにも用いられる。   The organic FET element of the present invention can be produced by using a low-cost process such as a coating method, and has excellent characteristics such as high mobility and low threshold voltage. Therefore, a liquid crystal display, an electroluminescence (EL) display, an electronic paper display, etc. Used for thin film transistors. It is also used in smart cards and security tag transistors.

本発明の一態様である有機FET素子を示した模式断面図Schematic sectional view showing an organic FET element which is one embodiment of the present invention 本発明の別の態様である有機FET素子を示した模式断面図Schematic sectional view showing an organic FET element which is another embodiment of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 ゲート電極
3 絶縁層
4 半導体層
5 ソース電極
6 ドレイン電極
1 Substrate 2 Gate electrode 3 Insulating layer 4 Semiconductor layer 5 Source electrode 6 Drain electrode

Claims (6)

単層カーボンナノチューブおよび有機半導体材料を含む有機トランジスタ材料であって、前記単層カーボンナノチューブから得られる膜の波長1000nmにおける吸光度(A)に対する波長1200nmにおける吸光度(B)の比(B/A)が1.0未満である有機トランジスタ材料。 An organic transistor material including a single-walled carbon nanotube and an organic semiconductor material, wherein a ratio (B / A) of absorbance (B) at a wavelength of 1200 nm to absorbance (A) at a wavelength of 1000 nm of a film obtained from the single-walled carbon nanotube Organic transistor material that is less than 1.0. 前記単層カーボンナノチューブが過酸化水素処理されたものである請求項1記載の有機トランジスタ材料。 The organic transistor material according to claim 1, wherein the single-walled carbon nanotube is treated with hydrogen peroxide. 前記単層カーボンナノチューブの表面の少なくとも一部に共役系重合体が付着している請求項1または2に記載の有機トランジスタ材料。 The organic transistor material according to claim 1 or 2, wherein a conjugated polymer is attached to at least a part of the surface of the single-walled carbon nanotube. 前記有機半導体材料がチオフェン骨格を含有する分子量3000以下の有機低分子半導体である請求項1〜3のいずれか記載の有機トランジスタ材料。 The organic transistor material according to claim 1, wherein the organic semiconductor material is an organic low molecular weight semiconductor having a molecular weight of 3000 or less containing a thiophene skeleton. 有機半導体材料100重量部に対して0.01〜3重量部の単層カーボンナノチューブを含む請求項1〜4のいずれか記載の有機トランジスタ材料。 The organic transistor material according to claim 1, comprising 0.01 to 3 parts by weight of single-walled carbon nanotubes with respect to 100 parts by weight of the organic semiconductor material. ゲート電極、絶縁層、半導体層、ソース電極およびドレイン電極を有する有機電界効果型トランジスタであって、前記半導体層が請求項1〜5のいずれか記載の有機トランジスタ材料を用いてなる有機電界効果型トランジスタ。 An organic field effect transistor having a gate electrode, an insulating layer, a semiconductor layer, a source electrode, and a drain electrode, wherein the semiconductor layer uses the organic transistor material according to any one of claims 1 to 5. Transistor.
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