JP2010168305A - Polyacene compound, and organic semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic semiconductor material exhibiting high mobility and excellent in stability as well as in solubility to a solvent, and to provide an organic semiconductor thin film exhibiting high mobility and an organic semiconductor device excellent in electronic characteristics. <P>SOLUTION: A thin film of 2-(dimethylpentylsilyl)pentacene made to have a transistor structure is produced by applying a tetralin solution of 2-(dimethylpentylsilyl)pentacene onto a silicon substrate whereon a source drain electrode is formed, and subsequently drying the same. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、有機半導体材料であるポリアセン化合物及びその製造方法に関する。また、該有機半導体材料を用いた有機半導体薄膜及び有機半導体素子に関する。   The present invention relates to a polyacene compound which is an organic semiconductor material and a method for producing the same. The present invention also relates to an organic semiconductor thin film and an organic semiconductor element using the organic semiconductor material.

有機半導体を用いたデバイスは、従来の無機半導体デバイスに比べて成膜条件がマイルドであり、各種基板上に半導体薄膜を形成したり、常温で成膜したりすることが可能であるため、低コスト化や、ポリマーフィルム等に薄膜を形成することによるフレキシブル化が期待されている。
有機半導体材料としては、ポリフェニレンビニレン,ポリピロール,ポリチオフェン等の共役系高分子化合物やそのオリゴマーとともに、アントラセン,テトラセン,ペンタセン等のポリアセン化合物を中心とする芳香族化合物が研究されている。特に、ポリアセン化合物は分子間凝集力が強いため高い結晶性を有していて、これによって高いキャリア移動度と、それによる優れた半導体デバイス特性とを発現することが報告されている。
Devices using organic semiconductors have milder film formation conditions than conventional inorganic semiconductor devices, and it is possible to form semiconductor thin films on various substrates or to form films at room temperature. Costs and flexibility by forming a thin film on a polymer film or the like are expected.
As organic semiconductor materials, conjugated polymer compounds such as polyphenylene vinylene, polypyrrole, and polythiophene, and oligomers thereof, as well as aromatic compounds centering on polyacene compounds such as anthracene, tetracene, and pentacene have been studied. In particular, it has been reported that polyacene compounds have high crystallinity due to their strong intermolecular cohesion, thereby exhibiting high carrier mobility and thereby excellent semiconductor device characteristics.

そして、ポリアセン化合物のデバイスへの利用形態としては蒸着膜又は単結晶があげられ、トランジスタ,太陽電池,レーザー等への応用が検討されている(非特許文献1〜3を参照)。
また、蒸着法以外の方法でポリアセン化合物の薄膜を形成する方法として、ポリアセン化合物の一種であるペンタセンの前駆体の溶液を基板上に塗布し、加熱処理してペンタセン薄膜を形成する方法が報告されている(非特許文献4を参照)。この方法は、ポリアセン化合物は溶媒に対する溶解性が低いため、溶解性の高い前駆体の溶液を用いて薄膜を形成し、熱により前駆体をポリアセン化合物に変換するというものである。
A polyacene compound is used in a device as a deposited film or a single crystal, and its application to a transistor, a solar cell, a laser, or the like has been studied (see Non-Patent Documents 1 to 3).
In addition, as a method for forming a polyacene compound thin film by a method other than the vapor deposition method, a method of forming a pentacene thin film by applying a solution of a precursor of pentacene, which is a kind of polyacene compound, onto a substrate and heating it has been reported. (See Non-Patent Document 4). In this method, since the polyacene compound has low solubility in a solvent, a thin film is formed using a solution of a highly soluble precursor, and the precursor is converted into a polyacene compound by heat.

一方、置換基を有するポリアセン化合物は、高橋らの報告(非特許文献5),グラハムらの報告(非特許文献6),アンソニーらの報告(非特許文献7)及び,ミラーらの報告(非特許文献8)などに記載されており、さらに非特許文献9には2,3,9,10−テトラメチルペンタセンの合成例が、非特許文献10には2,3,9,10−テトラクロロペンタセンの合成例が、非特許文献11にはパーフルオロペンタセンの合成例がそれぞれ記載されている。また、特許文献1には、反応性シリル基で置換された縮合多環芳香族化合物が開示されている。   On the other hand, polyacene compounds having substituents are reported by Takahashi et al. (Non-Patent Document 5), Graham et al. (Non-Patent Document 6), Anthony et al. (Non-Patent Document 7), and Miller et al. Non-patent document 9 describes a synthesis example of 2,3,9,10-tetramethylpentacene, and non-patent document 10 describes 2,3,9,10-tetrachloro. Examples of synthesis of pentacene are described in Non-Patent Document 11, and examples of synthesis of perfluoropentacene are described. Patent Document 1 discloses a condensed polycyclic aromatic compound substituted with a reactive silyl group.

国際公開第01/064611号パンフレットInternational Publication No. 01/064611 Pamphlet

「アドバンスド・マテリアルズ」,2002年,第14巻,p.99“Advanced Materials”, 2002, Vol. 14, p. 99 ジミトラコポウラスら,「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス」,1996年,第80巻,p.2501Jimitrakopouras et al., "Journal of Applied Physics", 1996, Vol. 80, p. 2501 クロークら,「IEEE・トランザクション・オン・エレクトロン・デバイシス」,1999年,第46巻,p.1258Croke et al., “IEEE Transactions on Electron Devices”, 1999, 46, p. 1258 ブラウンら,「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス」,1996年,第79巻,p.2136Brown et al., "Journal of Applied Physics", 1996, Vol. 79, p. 2136 高橋ら,「ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティー」,2000年,第122巻,p.12876Takahashi et al., “Journal of American Chemical Society”, 2000, Vol. 122, p. 12876 グラハムら,「ジャーナル・オブ・オーガニック・ケミストリー」,1995年,第60巻,p.5770Graham et al., “Journal of Organic Chemistry”, 1995, Volume 60, p. 5770 アンソニーら,「オーガニック・レターズ」,2000年,第2巻,p.85Anthony et al., “Organic Letters”, 2000, Volume 2, p. 85 ミラーら,「オーガニック・レターズ」,2000年,第2巻,p.3979Miller et al., “Organic Letters”, 2000, Volume 2, p. 3979 「アドバンスド・マテリアルズ」,2003年,第15巻,p.1090“Advanced Materials”, 2003, Vol. 15, p. 1090 「ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティー」,2003年,第125巻,p.10190“Journal of American Chemical Society”, 2003, vol. 125, p. 10190 「ジャーナル・オブ・アメリカン・ケミカル・ソサエティー」,2004年,第126巻,p.8138“Journal of American Chemical Society”, 2004, vol. 126, p. 8138

しかしながら、前述のような前駆体を利用してポリアセン化合物の薄膜を形成する方法は、前記前駆体をポリアセン化合物に変換するために高温処理が必要であるという問題点を有していた(例えば、ペンタセンの場合であれば150℃程度)。また、ポリアセン化合物への変換反応を完全に行うことが難しいため未反応部分が欠陥として残ったり、高温により変性が生じて欠陥となったりするという問題点も併せて有していた。   However, the method of forming a polyacene compound thin film using the precursor as described above has a problem that a high temperature treatment is required to convert the precursor into a polyacene compound (for example, In the case of pentacene, about 150 ° C.). Further, since it is difficult to completely carry out the conversion reaction to the polyacene compound, the unreacted portion remains as a defect, or a modification occurs due to a high temperature, resulting in a defect.

一方、前述の高橋らの報告等には、各種のポリアセン化合物に置換基を導入した誘導体が記載されているが、有機半導体材料としての特性や薄膜化に関しては記載されていない。また、2,3,9,10−テトラメチルペンタセンや2,3,9,10−テトラクロロペンタセンやパーフルオロペンタセンが合成されているが、それぞれの薄膜の移動度はペンタセンよりも劣っている。これらのペンタセン誘導体は一般の有機溶媒に対する溶解性が乏しく、特に2,3,9,10−テトラクロロペンタセンは高温下での薄膜形成過程において変性が生じるため、半導体としての性質を示さない。   On the other hand, Takahashi et al.'S report and the like describe derivatives in which substituents are introduced into various polyacene compounds, but do not describe characteristics or thinning as organic semiconductor materials. Further, 2,3,9,10-tetramethylpentacene, 2,3,9,10-tetrachloropentacene and perfluoropentacene are synthesized, but the mobility of each thin film is inferior to that of pentacene. These pentacene derivatives have poor solubility in general organic solvents, and in particular, 2,3,9,10-tetrachloropentacene does not show properties as a semiconductor because modification occurs in the process of forming a thin film at a high temperature.

また、反応性シリル基で置換された縮合多環芳香族化合物は、反応性シリル基と基板との反応により縮合多環芳香族化合物分子を基板に固着させることを目的としている。ただし、このような縮合多環芳香族化合物は、反応性シリル基が水と反応して変性しやすいので、取り扱いに注意する必要があった。
そこで、本発明は、前述のような従来技術が有する問題点を解決し、高い移動度を発現し且つ安定性及び溶媒に対する溶解性に優れる有機半導体材料及びその製造方法を提供することを課題とする。また、高い移動度を有する有機半導体薄膜、及び、電子特性の優れた有機半導体素子を提供することを併せて課題とする。さらに、有機半導体薄膜の成膜性に優れた溶液及びインクを提供することを併せて課題とする。
The condensed polycyclic aromatic compound substituted with a reactive silyl group is intended to fix the condensed polycyclic aromatic compound molecule to the substrate by the reaction between the reactive silyl group and the substrate. However, such a condensed polycyclic aromatic compound needs to be handled with care because the reactive silyl group easily reacts with water to be modified.
Then, this invention solves the problem which the above prior arts have, and it is a subject to provide the organic semiconductor material which expresses high mobility, and is excellent in stability and the solubility with respect to a solvent, and its manufacturing method. To do. Another object is to provide an organic semiconductor thin film having high mobility and an organic semiconductor element having excellent electronic characteristics. Furthermore, another object is to provide a solution and an ink excellent in the film forming property of the organic semiconductor thin film.

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項1のポリアセン化合物は、下記の化学式(I)で表されるような構造を有することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. That is, the polyacene compound according to claim 1 of the present invention has a structure represented by the following chemical formula (I).

Figure 2010168305
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Figure 2010168305
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ただし、化学式(I)中のXはそれぞれハロゲン基又は水素原子であり、mは1以上6以下の整数である。また、化学式(I)中のR1 ,R2 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8 のうち少なくとも一つは、化学式(II)で示されるケイ素含有基であり、残部は水素原子である。さらに、化学式(II)中のB1 ,B2 ,B3 はそれぞれ、アルキル基,アルケニル基,アルキニル基等の脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、エステル基、アルキルオキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、カルボキシル基、ホルミル基、水酸基、ハロゲン基、アミノ基、イミノ基、アミド基、シアノ基、シロキシ基、メルカプト基、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホニル基、又はこれらのうちの2以上の基を含む複合官能基である。さらに、化学式(II)中のAは、単結合、メチレン基、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、二官能性の芳香族炭化水素基、カルボニル基、又はエーテル基である。 However, X in chemical formula (I) is a halogen group or a hydrogen atom, respectively, and m is an integer of 1-6. In addition, at least one of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 and R 8 in the chemical formula (I) is a silicon-containing group represented by the chemical formula (II). The balance is a hydrogen atom. Further, B 1 , B 2 and B 3 in the chemical formula (II) are respectively an aliphatic hydrocarbon group such as an alkyl group, an alkenyl group and an alkynyl group, an aromatic hydrocarbon group, an alkoxy group, an aryloxy group and an acyl group. , Ester group, alkyloxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, carboxyl group, formyl group, hydroxyl group, halogen group, amino group, imino group, amide group, cyano group, siloxy group, mercapto group, sulfide group, disulfide group, sulfonyl A group, or a composite functional group containing two or more of these groups. Further, A in the chemical formula (II) is a single bond, a methylene group, an alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, a bifunctional aromatic hydrocarbon group, a carbonyl group, or an ether group.

また、本発明に係る請求項2のポリアセン化合物は、請求項1に記載のポリアセン化合物において、R1 ,R4 ,R5 ,R8 が水素原子であり、R2 ,R3 ,R6 ,R7 の少なくとも一つが前記ケイ素含有基であることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項3のポリアセン化合物は、請求項1に記載のポリアセン化合物において、R1 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8 が水素原子であり、R2 ,R3 の少なくとも一つが前記ケイ素含有基であることを特徴とする。
The polyacene compound according to claim 2 of the present invention is the polyacene compound according to claim 1, wherein R 1 , R 4 , R 5 , and R 8 are hydrogen atoms, and R 2 , R 3 , R 6 , At least one of R 7 is the silicon-containing group.
Furthermore, the polyacene compound according to claim 3 of the present invention is the polyacene compound according to claim 1, wherein R 1 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are hydrogen atoms, R 2 , At least one of R 3 is the silicon-containing group.

さらに、本発明に係る請求項4のポリアセン化合物は、請求項1に記載のポリアセン化合物において、R1 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8 が水素原子であり、R2 が前記ケイ素含有基であることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項5のポリアセン化合物は、請求項1〜4のいずれか一項に記載のポリアセン化合物において、B1 ,B2 ,B3 のうち少なくとも一つがアルキル基であることを特徴とする。
Furthermore, the polyacene compound according to claim 4 of the present invention is the polyacene compound according to claim 1, wherein R 1 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are hydrogen atoms, R 2 is the silicon-containing group.
Furthermore, the polyacene compound according to claim 5 of the present invention is the polyacene compound according to any one of claims 1 to 4, wherein at least one of B 1 , B 2 and B 3 is an alkyl group. Features.

さらに、本発明に係る請求項6のポリアセン化合物は、請求項1〜5のいずれか一項に記載のポリアセン化合物において、mが2又は3であることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項7のポリアセン化合物は、請求項1〜5のいずれか一項に記載のポリアセン化合物において、mが1であることを特徴とする。
Furthermore, the polyacene compound according to claim 6 of the present invention is characterized in that m is 2 or 3 in the polyacene compound according to any one of claims 1 to 5.
Furthermore, the polyacene compound according to claim 7 of the present invention is characterized in that m is 1 in the polyacene compound according to any one of claims 1 to 5.

さらに、本発明に係る請求項8のポリアセン化合物の製造方法は、請求項1〜7のいずれか一項に記載のポリアセン化合物を製造する方法であって、下記の化学式(III)で表されるような構造を有するポリアセンキノン誘導体のカルボニル基を還元するとともに芳香化して直接的に前記ポリアセン化合物に変換するか、又は、下記の化学式(III)で表されるような構造を有するポリアセンキノン誘導体を還元して、下記の化学式(IV)で表されるような構造を有するヒドロキシポリアセン誘導体とし、さらにこのヒドロキシポリアセン誘導体に対して芳香化、若しくは、ハロゲン化及び芳香化を行うことを特徴とする。   Furthermore, the manufacturing method of the polyacene compound of Claim 8 which concerns on this invention is a method of manufacturing the polyacene compound as described in any one of Claims 1-7, Comprising: It represents with following Chemical formula (III) The carbonyl group of the polyacenequinone derivative having such a structure is reduced and aromatized to directly convert to the polyacene compound, or a polyacenequinone derivative having a structure represented by the following chemical formula (III) Reduction is performed to obtain a hydroxypolyacene derivative having a structure represented by the following chemical formula (IV), and the hydroxypolyacene derivative is further aromatized or halogenated and aromatized.

Figure 2010168305
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ただし、化学式(III)及び化学式(IV)中のXはそれぞれハロゲン基又は水素原子であり、kは1以上の整数であり、k+lは1以上6以下の整数である。また、化学式(III)及び化学式(IV)中のR1 ,R2 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8 のうち少なくとも一つは、化学式(V)で示されるケイ素含有基であり、残部は水素原子である。さらに、化学式(V)中のB1 ,B2 ,B3 はそれぞれ、アルキル基,アルケニル基,アルキニル基等の脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、エステル基、アルキルオキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、カルボキシル基、ホルミル基、水酸基、ハロゲン基、アミノ基、イミノ基、アミド基、シアノ基、シロキシ基、メルカプト基、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホニル基、又はこれらのうちの2以上の基を含む複合官能基である。さらに、化学式(V)中のAは、単結合、メチレン基、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、二官能性の芳香族炭化水素基、カルボニル基、又はエーテル基である。 However, X in Chemical Formula (III) and Chemical Formula (IV) is a halogen group or a hydrogen atom, k is an integer of 1 or more, and k + 1 is an integer of 1 or more and 6 or less. In addition, at least one of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 and R 8 in the chemical formula (III) and the chemical formula (IV) is represented by the chemical formula (V). It is a silicon-containing group, and the balance is a hydrogen atom. Further, B 1 , B 2 and B 3 in the chemical formula (V) are respectively an aliphatic hydrocarbon group such as an alkyl group, an alkenyl group and an alkynyl group, an aromatic hydrocarbon group, an alkoxy group, an aryloxy group and an acyl group. , Ester group, alkyloxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, carboxyl group, formyl group, hydroxyl group, halogen group, amino group, imino group, amide group, cyano group, siloxy group, mercapto group, sulfide group, disulfide group, sulfonyl A group, or a composite functional group containing two or more of these groups. Further, A in the chemical formula (V) is a single bond, a methylene group, an alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, a bifunctional aromatic hydrocarbon group, a carbonyl group, or an ether group.

さらに、本発明に係る請求項9の溶液は、請求項1〜7のいずれか一項に記載のポリアセン化合物を含有することを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項10のインクは、請求項1〜7のいずれか一項に記載のポリアセン化合物を含有することを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項11の有機半導体薄膜は、請求項1〜7のいずれか一項に記載のポリアセン化合物で構成され、結晶性を有することを特徴とする。
Furthermore, the solution of Claim 9 which concerns on this invention contains the polyacene compound as described in any one of Claims 1-7, It is characterized by the above-mentioned.
Furthermore, the ink of Claim 10 which concerns on this invention contains the polyacene compound as described in any one of Claims 1-7, It is characterized by the above-mentioned.
Furthermore, the organic-semiconductor thin film of Claim 11 which concerns on this invention is comprised with the polyacene compound as described in any one of Claims 1-7, and has crystallinity.

さらに、本発明に係る請求項12の有機半導体薄膜は、請求項11に記載の有機半導体薄膜において、基板上に形成された結晶性の有機半導体薄膜であって、前記ポリアセン化合物の分子の長軸が前記基板の表面に対して垂直方向に配向していることを特徴とする。 さらに、本発明に係る請求項13の有機半導体素子は、請求項11又は請求項12に記載の有機半導体薄膜で少なくとも一部を構成したことを特徴とする。   Furthermore, the organic semiconductor thin film of claim 12 according to the present invention is a crystalline organic semiconductor thin film formed on a substrate in the organic semiconductor thin film of claim 11, wherein the major axis of the molecule of the polyacene compound is Are oriented in a direction perpendicular to the surface of the substrate. Furthermore, an organic semiconductor element according to a thirteenth aspect of the present invention is characterized in that at least a part of the organic semiconductor thin film according to the eleventh or twelfth aspect is formed.

さらに、本発明に係る請求項14のトランジスタは、ゲート電極,誘電体層,ソース電極,ドレイン電極,及び半導体層を備えるトランジスタにおいて、前記半導体層を請求項11又は請求項12に記載の有機半導体薄膜で構成したことを特徴とする。
本発明のポリアセン化合物は、細長い形状のポリアセン骨格の長軸方向両端のアセン環(ベンゼン環)のうち一方又は両方に前記ケイ素含有基(シリル基を有する官能基)を備える構造である。本発明者らは、ポリアセン化合物の長軸方向端部のアセン環に官能基を導入することによって、有機溶剤に対する溶解性が向上し、その官能基のシリル基が活性で反応しやすい水素原子を備えないようにすることによって、安定性が向上すると考え、前記化学式(I)で表されるような構造を有する新規なポリアセン化合物を見出すに至った。
Furthermore, the transistor of Claim 14 which concerns on this invention is a transistor provided with a gate electrode, a dielectric material layer, a source electrode, a drain electrode, and a semiconductor layer, The said semiconductor layer is the organic semiconductor of Claim 11 or Claim 12 It is characterized by comprising a thin film.
The polyacene compound of the present invention has a structure comprising the silicon-containing group (functional group having a silyl group) on one or both of the acene rings (benzene rings) at both ends in the long axis direction of the elongated polyacene skeleton. By introducing a functional group into the acene ring at the end of the long axis direction of the polyacene compound, the present inventors have improved the solubility in organic solvents, and the silyl group of the functional group is active and easily reacts with a hydrogen atom. It was thought that the stability would be improved by not providing it, and a new polyacene compound having a structure represented by the chemical formula (I) was found.

また、本発明者らは、常温において溶媒に対する溶解性が乏しいペンタセンと比べて、前記ケイ素含有基を導入した本発明のポリアセン化合物は溶解性が優れていることを見出した。さらに、本発明者らは、本発明のポリアセン化合物は溶媒溶解性に優れるため、本発明のポリアセン化合物を溶解した溶液やインクから形成した薄膜は、均一性に優れることを見出した。   In addition, the present inventors have found that the polyacene compound of the present invention into which the silicon-containing group is introduced is superior in solubility to pentacene which is poorly soluble in a solvent at room temperature. Further, the present inventors have found that since the polyacene compound of the present invention is excellent in solvent solubility, a thin film formed from a solution or ink in which the polyacene compound of the present invention is dissolved is excellent in uniformity.

そして、本発明のポリアセン化合物及びその薄膜は、高い結晶性を示し、ポリアセン化合物の分子が薄膜中で規則正しく配列することを見出した。さらに、本発明のポリアセン化合物の薄膜を用いた有機半導体素子は、優れた電子特性を示すとともに、薄膜トランジスタとして優れたスイッチング性を示すことを見出した。本発明のポリアセン化合物及びその薄膜は、従来の有機材料中で最も高い移動度を有するペンタセンと同程度又はそれを超える高い移動度を発現することを見出した。   And the polyacene compound of this invention and its thin film showed high crystallinity, and it discovered that the molecule | numerator of the polyacene compound arranged regularly in a thin film. Furthermore, it discovered that the organic-semiconductor element using the thin film of the polyacene compound of this invention showed the outstanding switching property as a thin-film transistor while showing the outstanding electronic characteristic. It has been found that the polyacene compound of the present invention and a thin film thereof exhibit a high mobility comparable to or exceeding that of pentacene having the highest mobility among conventional organic materials.

本発明のポリアセン化合物は、高い移動度を発現するとともに、溶媒に対する溶解性及び安定性に優れる。また、本発明の溶液及びインクは、成膜性に優れる。さらに、本発明の有機半導体薄膜は高い移動度を有している。さらに、本発明の有機半導体素子は優れた電子特性を有している。
さらに、本発明のポリアセン化合物の製造方法は、前述のようなポリアセン化合物を容易に製造することができる。
The polyacene compound of the present invention exhibits high mobility and is excellent in solubility and stability in a solvent. The solution and ink of the present invention are excellent in film formability. Furthermore, the organic semiconductor thin film of the present invention has high mobility. Furthermore, the organic semiconductor element of the present invention has excellent electronic properties.
Furthermore, the method for producing a polyacene compound of the present invention can easily produce the polyacene compound as described above.

本発明のポリアセン化合物は、前述の化学式(I)に示すような構造の化合物であり、分子の長軸方向両端のアセン環のうち一方又は両方に、前述の化学式(II)で示されるケイ素含有基(シリル基を有する官能基)を備える構造のポリアセン化合物である。このようなポリアセン化合物は、嵩高いシリル基を備えていることから、有機溶剤に対する溶解性が優れている。   The polyacene compound of the present invention is a compound having a structure as shown in the chemical formula (I) described above, and one or both of the acene rings at both ends in the long axis direction of the molecule contain a silicon-containing compound represented by the chemical formula (II). It is a polyacene compound having a structure having a group (functional group having a silyl group). Since such a polyacene compound has a bulky silyl group, the solubility in an organic solvent is excellent.

なお、R1 ,R2 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8 のうち少なくとも一つが前記ケイ素含有基であればよく、残部は水素原子である。このとき、R2 ,R3 ,R6 ,R7 の少なくとも一つが前記ケイ素含有基であり、その残部及びR1 ,R4 ,R5 ,R8 が水素原子であることが好ましい。また、R2 ,R3 の少なくとも一つが前記ケイ素含有基であり、その残部及びR1 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8 が水素原子であることが好ましい。さらに、R2 が前記ケイ素含有基であり、R1 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8 が水素原子であることが好ましい。さらに、R1 ,R2 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8 のうち複数が前記ケイ素含有基である場合は、それらの一部又は全部が同一種のケイ素含有基であってもよいし、それぞれ異なるケイ素含有基(すなわち、B1 ,B2 ,B3 が異なる基)であってもよい。 Note that at least one of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , R 8 may be the silicon-containing group, and the remainder is a hydrogen atom. At this time, it is preferable that at least one of R 2 , R 3 , R 6 and R 7 is the silicon-containing group, and the remainder and R 1 , R 4 , R 5 and R 8 are hydrogen atoms. Moreover, it is preferable that at least one of R 2 and R 3 is the silicon-containing group, and the remainder and R 1 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are hydrogen atoms. Further, R 2 is preferably the silicon-containing group, and R 1 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are preferably hydrogen atoms. Further, when a plurality of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , and R 8 are the silicon-containing groups, some or all of them may contain the same type of silicon. It may be a group, or may be different silicon-containing groups (that is, groups in which B 1 , B 2 , and B 3 are different).

以下に、本発明のポリアセン化合物について、さらに詳細に説明する。
化学式(II)中のAは、単結合、アルキレン基(例えばメチレン基)、アルケニレン基、アルキニレン基、二官能性の芳香族炭化水素基(例えばフェニレン基)、カルボニル基(C=O)、又はエーテル基(−O−)である。
Below, the polyacene compound of this invention is demonstrated in detail.
A in chemical formula (II) is a single bond, an alkylene group (for example, a methylene group), an alkenylene group, an alkynylene group, a bifunctional aromatic hydrocarbon group (for example, a phenylene group), a carbonyl group (C = O), or An ether group (—O—).

また、化学式(II)中のB1 ,B2 ,B3 はそれぞれ、脂肪族炭化水素基(例えばアルキル基,アルケニル基,アルキニル基)、芳香族炭化水素基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、エステル基、アルキルオキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、カルボキシル基、ホルミル基、水酸基、ハロゲン基、アミノ基、イミノ基、アミド基、シアノ基、シロキシ基、メルカプト基、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホニル基、又はこれらのうちの2以上の基を含む複合官能基である。
前記ケイ素含有基が、活性で反応しやすい水素原子を備えるシリル基を有していないので、本発明のポリアセン化合物は安定性が優れている。
B 1 , B 2 and B 3 in the chemical formula (II) are each an aliphatic hydrocarbon group (for example, an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group), an aromatic hydrocarbon group, an alkoxy group, an aryloxy group, an acyl Group, ester group, alkyloxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, carboxyl group, formyl group, hydroxyl group, halogen group, amino group, imino group, amide group, cyano group, siloxy group, mercapto group, sulfide group, disulfide group, A sulfonyl group or a composite functional group containing two or more of these groups.
Since the silicon-containing group does not have a silyl group having an active and reactive hydrogen atom, the polyacene compound of the present invention has excellent stability.

上記各官能基の中では、アルキル基,アルケニル基,アルキニル基等の脂肪族炭化水素基が好ましく、溶媒への溶解性及び結晶性を勘案すると、その炭素数は1個以上15個以下であることが好ましい。そして、より高い溶解性を有するためには、炭素数は2個以上15個以下であることがより好ましく、高い溶解性と高い結晶性の両方を有するためには、炭素数は2個以上6個以下であることが特に好ましい。また、脂肪族炭化水素基は直鎖状や分岐状でもよいし、環状構造でもよい。   Among the above functional groups, an aliphatic hydrocarbon group such as an alkyl group, an alkenyl group, and an alkynyl group is preferable, and considering the solubility in a solvent and crystallinity, the carbon number is 1 or more and 15 or less. It is preferable. In order to have higher solubility, the number of carbon atoms is more preferably 2 or more and 15 or less, and in order to have both high solubility and high crystallinity, the number of carbon atoms is 2 or more and 6 or less. It is particularly preferable that the number is not more than 1. The aliphatic hydrocarbon group may be linear or branched, or may have a cyclic structure.

アルキル基の例としては、メチル基,エチル基,n−プロピル基,n−ブチル基,t−ブチル基,n−ペンチル基,n−ヘキシル基,ドデカニル基,トリフルオロメチル基,ベンジル基等があげられる。また、アルケニル基の例としてはメタクリル基やアクリル基があげられ、アルキニル基の例としてはエチニル基やプロパギル基があげられる。なお、アルケニル基及びアルキニル基においては、二重結合及び三重結合は官能基中のどの位置にあっても差し支えない。二重結合及び三重結合は、官能基の構造を強固とする目的、不飽和結合基を用いてさらに他の分子と反応させる目的、あるいは不飽和結合基同士を反応(結合)又は重合させる目的で利用することができる。   Examples of alkyl groups include methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, t-butyl, n-pentyl, n-hexyl, dodecanyl, trifluoromethyl, benzyl and the like. can give. Examples of alkenyl groups include methacryl and acryl groups, and examples of alkynyl groups include ethynyl and propargyl groups. In the alkenyl group and alkynyl group, the double bond and triple bond may be located at any position in the functional group. Double bonds and triple bonds are for the purpose of strengthening the structure of functional groups, for the purpose of reacting with other molecules using unsaturated bond groups, or for the purpose of reacting (bonding) or polymerizing unsaturated bond groups. Can be used.

また、化学式(II)中のB1 ,B2 ,B3 が脂肪族炭化水素基以外の官能基である場合においても、その炭素数は、前述した脂肪族炭化水素基の場合と同様に、1個以上15個以下であることが好ましく、2個以上15個以下であることがより好ましく、2個以上6個以下であることが特に好ましい。
アルコキシ基の例としては、メトキシ基,エトキシ基,2−メトキシエトキシ基,t−ブトキシ基があげられる。また、アリールオキシ基の例としては、フェノキシ基,ナフトキシ基,フェニルフェノキシ基,4−メチルフェノキシ基があげられる。
Further, when B 1 , B 2 , and B 3 in the chemical formula (II) are functional groups other than the aliphatic hydrocarbon group, the number of carbon atoms is the same as in the case of the aliphatic hydrocarbon group described above. It is preferably 1 or more and 15 or less, more preferably 2 or more and 15 or less, and particularly preferably 2 or more and 6 or less.
Examples of the alkoxy group include a methoxy group, an ethoxy group, a 2-methoxyethoxy group, and a t-butoxy group. Examples of the aryloxy group include a phenoxy group, a naphthoxy group, a phenylphenoxy group, and a 4-methylphenoxy group.

さらに、アシル基の例としては、ホルミル基,アセチル基,2−メチルプロパノイル基,シクロヘキシルカルボニル基,オクタノイル基,2−ヘキシルデカノイル基,ドデカノイル基,クロロアセチル基,トリフルオロアセチル基,ベンゾイル基があげられる。さらに、アリールオキシカルボニル基の例としては、フェノキシカルボニル基,4−オクチルオキシフェノキシカルボニル基,2−ヒドロキシメチルフェノキシカルボニル基,4−ドデシルオキシフェノキシカルボニル基があげられる。   Further, examples of the acyl group include formyl group, acetyl group, 2-methylpropanoyl group, cyclohexylcarbonyl group, octanoyl group, 2-hexyldecanoyl group, dodecanoyl group, chloroacetyl group, trifluoroacetyl group, and benzoyl group. Can be given. Further, examples of the aryloxycarbonyl group include phenoxycarbonyl group, 4-octyloxyphenoxycarbonyl group, 2-hydroxymethylphenoxycarbonyl group, and 4-dodecyloxyphenoxycarbonyl group.

さらに、アミノ基の例としては、アミノ基,メチルアミノ基,ジメチルアミノ基,メチルフェニルアミノ基,フェニルアミノ基があげられる。さらに、スルフィド基,ジスルフィド基の例としては、“−S−”や“−S−S−”の部分構造を有する基のすべてがあげられるが、環状構造を有していてもよく、その具体例としてはチオラン環、1,3−ジチオラン環、1,2−ジチオラン環、チアン環、ジチアン環、チオモルホリン環等を含む基があげられる。このような環状構造は、鎖状構造に比べ立体的な影響が少ないという点で好ましい。   Furthermore, examples of the amino group include an amino group, a methylamino group, a dimethylamino group, a methylphenylamino group, and a phenylamino group. Furthermore, examples of the sulfide group and disulfide group include all groups having a partial structure of “—S—” or “—S—S—”, and may have a cyclic structure, and specific examples thereof. Examples include groups containing thiolane ring, 1,3-dithiolane ring, 1,2-dithiolane ring, thiane ring, dithiane ring, thiomorpholine ring and the like. Such a cyclic structure is preferable in that it has less steric influence than a chain structure.

さらに、シロキシ基の例としては、トリメチルシロキシ基,ジメチルフェニルシロキシ基,ジフェニルメチルシロキシ基があげられる。なお、本発明のポリアセン化合物においては、化学式(II)で示されるケイ素含有基がシリル基を有しているので、B1 ,B2 ,B3 のうちいずれかがシロキシ基である場合は、シリル基の中にさらにシロキシ基が存在するということになる。 Furthermore, examples of the siloxy group include a trimethylsiloxy group, a dimethylphenylsiloxy group, and a diphenylmethylsiloxy group. In the polyacene compound of the present invention, since the silicon-containing group represented by the chemical formula (II) has a silyl group, when any of B 1 , B 2 and B 3 is a siloxy group, This means that there is an additional siloxy group in the silyl group.

さらに、スルホニル基の例としては、メチルスルホニル基,n−ブチルスルホニル基,n−オクチルスルホニル基,フェニルスルホニル基があげられる。さらに、複合官能基の例としては、2−ヒドロキシ−1−プロペニル基,ヒドロキシエトキシエチル基,ヒドロキシエチルチオエチル基,ジメチルアミノカルボニル基があげられる。
ポリアセン骨格の長軸方向両端のアセン環のうち一方又は両方に前記ケイ素含有基を有する本発明のペンタセン化合物は、分子同士のスタッキング時に前記ケイ素含有基が障害(立体障害)となる場合があるため、分子間の共役面の重なりが阻害されることがある。したがって、前記ケイ素含有基の数は少ない方が好ましい。
Furthermore, examples of the sulfonyl group include a methylsulfonyl group, an n-butylsulfonyl group, an n-octylsulfonyl group, and a phenylsulfonyl group. Furthermore, examples of the composite functional group include 2-hydroxy-1-propenyl group, hydroxyethoxyethyl group, hydroxyethylthioethyl group, and dimethylaminocarbonyl group.
In the pentacene compound of the present invention having the silicon-containing group in one or both of the acene rings at both ends in the long axis direction of the polyacene skeleton, the silicon-containing group may become an obstacle (steric hindrance) when stacking molecules. In some cases, the overlapping of conjugate surfaces between molecules may be inhibited. Therefore, it is preferable that the number of the silicon-containing groups is small.

特に、長軸方向両端のアセン環のうち一方のみに前記ケイ素含有基を有する場合は、分子同士がスタッキングする際に前記ケイ素含有基を有するアセン環が交互に反対向きになるように配列できるという点で好ましい。また、長軸方向両端のアセン環のうち一方のみに前記ケイ素含有基を有する場合には、分子の長軸方向に極性が生じるため、溶媒への溶解性が向上するという点でも好ましい。   In particular, when the silicon-containing group is present only in one of the acene rings at both ends of the long axis direction, the molecules can be arranged so that the acene rings having the silicon-containing group are alternately opposite when stacking each other. This is preferable. In addition, in the case where the silicon-containing group is present in only one of the acene rings at both ends of the long axis direction, polarity is generated in the long axis direction of the molecule, so that the solubility in a solvent is improved.

また、ポリアセン骨格の長軸方向両端以外のアセン環に結合した複数のXは、ハロゲン基又は水素原子である。複数のXのうち一部がハロゲン基で、他の全てが水素原子でもよい。また、複数のXの全てがハロゲン基でもよいし、全てが水素原子でもよい。
なお、複数のXのうち偶数個がハロゲン基であり、これらのうち2個のハロゲン基が同一のアセン環に結合しているポリアセン化合物は、同一アセン環内にカルボニル基を2つ有するポリアセンキノン(ポリアセン化合物を合成する場合の前駆体となる)の合成が容易であること、及び、分子同士がスタッキングする際にハロゲン基同士の立体障害が少ないという点から好ましい。
A plurality of X bonded to the acene ring other than both ends in the long axis direction of the polyacene skeleton are halogen groups or hydrogen atoms. A part of the plurality of Xs may be a halogen group and all the others may be hydrogen atoms. Further, all of the plurality of Xs may be halogen groups, or all may be hydrogen atoms.
The polyacene compound in which an even number of a plurality of X is a halogen group, and two of these halogen groups are bonded to the same acene ring is a polyacene quinone having two carbonyl groups in the same acene ring. It is preferable from the viewpoint that synthesis of (which becomes a precursor in the case of synthesizing a polyacene compound) is easy and that there is little steric hindrance between halogen groups when molecules are stacked.

さらに、長軸方向両端以外のアセン環に結合したハロゲン基は、ポリアセン化合物の耐酸化性向上に寄与するが、ハロゲン基の中でもファンデルワールス半径の最も小さいフッ素原子がより好ましい。
また、ポリアセン骨格の縮環数に関しては、前述の化学式(I)中のmが2又は3であることが好ましい。一般に、縮環数が増えていくと有機溶剤への溶解性は低下し、酸素への反応性が向上する(つまり、耐酸化性が低下する)。一方で、縮環数が増加するに従い、HOMO−LUMOギャップが減少することから高い移動度の発現が見込まれる。これら溶解性,安定性,及び半導体特性を勘案すると、mが2(すなわち縮環数が5)のペンタセンと、mが3(すなわち縮環数が6)のヘキサセンが好ましい。また、有機溶剤への溶解性及び酸素に対する高い安定性から、mが1(すなわち縮環数が4)のテトラセンも好ましい。
Furthermore, the halogen group bonded to the acene ring other than both ends in the long axis direction contributes to the improvement of the oxidation resistance of the polyacene compound, but among the halogen groups, a fluorine atom having the smallest van der Waals radius is more preferable.
In addition, regarding the number of condensed rings of the polyacene skeleton, m in the above-described chemical formula (I) is preferably 2 or 3. In general, as the number of condensed rings increases, the solubility in organic solvents decreases and the reactivity to oxygen increases (that is, the oxidation resistance decreases). On the other hand, as the number of condensed rings increases, the HOMO-LUMO gap decreases, so that high mobility is expected. Considering these solubility, stability and semiconductor characteristics, pentacene where m is 2 (that is, the number of condensed rings is 5) and hexacene where m is 3 (that is, where the number of condensed rings is 6) are preferable. Further, tetracene where m is 1 (that is, the number of condensed rings is 4) is preferable from the viewpoint of solubility in an organic solvent and high stability to oxygen.

次に、本発明のポリアセン化合物の合成方法について説明する。本発明におけるポリアセン化合物の合成方法は、おおよそ2つに分類することができる。
(1)ヒドロキシポリアセン誘導体のヒドロキシル基をハロゲン基に変換する方法
(2)ポリアセンキノン誘導体のカルボニル基を還元して、直接的にポリアセン化合物に変換する方法
この(1)の方法で得られるハロゲン置換ポリアセン化合物は、ポリアセン化合物に対応する化学構造を有するポリアセンキノン化合物を原料として、2段階で合成することができる。なお、ポリアセンキノン化合物は、ポリアセン化合物に対応する化学構造を有しているので、六員環の数や備えている官能基の種類、数、置換位置はポリアセン化合物と同一であるが、ポリアセンキノン化合物はカルボニル基を有しているから、環構造はポリアセン構造となっていない。
Next, a method for synthesizing the polyacene compound of the present invention will be described. The synthesis method of the polyacene compound in the present invention can be roughly classified into two.
(1) Method of converting hydroxyl group of hydroxy polyacene derivative to halogen group (2) Method of reducing carbonyl group of polyacene quinone derivative and converting directly to polyacene compound Halogen substitution obtained by the method of (1) The polyacene compound can be synthesized in two steps using a polyacene quinone compound having a chemical structure corresponding to the polyacene compound as a raw material. In addition, since the polyacene quinone compound has a chemical structure corresponding to the polyacene compound, the number of six-membered rings, the types of functional groups provided, the number, and the substitution position are the same as those of the polyacene compound. Since the compound has a carbonyl group, the ring structure is not a polyacene structure.

まず1段目は、ポリアセンキノン化合物のカルボニル基を水素化リチウムアルミニウム等の水素化金属塩(還元剤)でヒドロキシル基に還元する。得られた還元体(ヒドロキシポリアセン誘導体)をジメチルスルフィド存在下においてN−クロロスクシンイミド等のハロゲン化剤と反応させると、ハロゲン置換反応と芳香化が連続して進行し、ハロゲン置換ポリアセン誘導体を得ることができる。   First, the carbonyl group of the polyacenequinone compound is reduced to a hydroxyl group with a metal hydride salt (reducing agent) such as lithium aluminum hydride. When the obtained reduced product (hydroxypolyacene derivative) is reacted with a halogenating agent such as N-chlorosuccinimide in the presence of dimethyl sulfide, a halogen substitution reaction and aromatization proceed continuously to obtain a halogen substituted polyacene derivative. Can do.

つまり、ポリアセンキノン化合物のカルボニル炭素にハロゲン基が導入されて、ハロゲン置換ポリアセン誘導体になる。キノン部位は1つでも複数でもよく、複数のキノン部位を有するポリアセンキノン化合物から多ハロゲン置換ポリアセン誘導体を得ることができる。なお、ヒドロキシポリアセン誘導体は、ポリアセン化合物に対応する化学構造を有していて、六員環の数や備えている官能基の種類、数、置換位置はポリアセン化合物と同一であるが、ヒドロキシポリアセン誘導体は水酸基及び水素原子と結合している炭素原子を有しているから、環構造はポリアセン構造とはなっていない。   That is, a halogen group is introduced into the carbonyl carbon of the polyacene quinone compound to become a halogen-substituted polyacene derivative. One or a plurality of quinone moieties may be used, and a polyhalogen-substituted polyacene derivative can be obtained from a polyacenequinone compound having a plurality of quinone moieties. The hydroxy polyacene derivative has a chemical structure corresponding to that of the polyacene compound, and the number of six-membered rings and the type, number, and substitution position of the functional group provided are the same as those of the polyacene compound. Has a carbon atom bonded to a hydroxyl group and a hydrogen atom, the ring structure is not a polyacene structure.

例えば6,13−ジハロゲン化ペンタセン誘導体は、6,13−ペンタセンキノン誘導体から2段階で合成することができる。長軸方向両端のアセン環に前記ケイ素含有基を有する6,13−ペンタセンキノン誘導体は、フタルアルデヒド誘導体とシクロヘキサン−1,4−ジオンとの環化縮合反応によって容易に得られる。一方、長軸方向片端のアセン環のみに前記ケイ素含有基を有する6,13−ペンタセンキノン誘導体は、フタルアルデヒド誘導体と1,4−ジヒドロキシアントラセンとの環化縮合反応によって容易に得られる。フタルアルデヒド誘導体に関しても、例えば4,5−(メチレンジオキシ)−1,2−ベンズジアルデヒドや3,4−(メチレンジオキシ)−1,2−ベンズジアルデヒドは、既知法又はその類似法により容易に合成可能である。   For example, a 6,13-dihalogenated pentacene derivative can be synthesized in two steps from a 6,13-pentacenequinone derivative. The 6,13-pentacenequinone derivative having the silicon-containing group on the acene ring at both ends in the long axis direction can be easily obtained by a cyclocondensation reaction between a phthalaldehyde derivative and cyclohexane-1,4-dione. On the other hand, the 6,13-pentacenequinone derivative having the silicon-containing group only in the acene ring at one end of the long axis direction can be easily obtained by a cyclization condensation reaction between a phthalaldehyde derivative and 1,4-dihydroxyanthracene. Regarding phthalaldehyde derivatives, for example, 4,5- (methylenedioxy) -1,2-benzdialdehyde and 3,4- (methylenedioxy) -1,2-benzdialdehyde are known methods or similar methods. Can be easily synthesized.

長軸方向両端のアセン環又は長軸方向片端のアセン環が前記ケイ素含有基で置換された6,13−ペンタセンキノン誘導体は、上記の還元反応とハロゲン化−芳香化反応とにより、両端又は片端のアセン環に前記ケイ素含有基を有する6,13−ジハロゲン化ペンタセン誘導体に変換することができる。本発明のポリアセン化合物は、上記のような合成方法と同様の方法で合成することが可能であり、所望の多ハロゲン化ポリアセン化合物を効率良く得ることができる。   The 6,13-pentacenequinone derivative in which the acene ring at both ends of the long axis direction or the acene ring at one end of the long axis direction is substituted with the silicon-containing group is obtained at both ends or one end by the above reduction reaction and halogenation-aromatization reaction. Can be converted to a 6,13-dihalogenated pentacene derivative having the silicon-containing group in the acene ring. The polyacene compound of the present invention can be synthesized by a method similar to the synthesis method described above, and a desired polyhalogenated polyacene compound can be obtained efficiently.

また、前述の(2)の方法のように、ポリアセンキノン化合物のキノン部位に対してアルミニウムトリアルコキシド等を用いる還元反応を行うと、直接的にポリアセン誘導体へ変換することもできる。
本発明のポリアセン化合物は、上記のような方法で合成した後に、昇華,再結晶,カラム精製等の通常の精製法により精製し、高純度化することができる。
Moreover, when the reduction reaction using an aluminum trialkoxide etc. is performed with respect to the quinone part of a polyacene quinone compound like the method of above-mentioned (2), it can also convert into a polyacene derivative directly.
After the polyacene compound of the present invention is synthesized by the above-described method, it can be purified by a conventional purification method such as sublimation, recrystallization, column purification, and the like to be highly purified.

本発明のポリアセン化合物は結晶性を有し、この結晶構造はヘリンボン型で、分子が配列した構造を示す。このヘリンボン構造の結晶構造においては、細長い分子が矢筈状にスタックされた格子構造をとる。これら結晶構造は、前述のように精製し、高純度化した結晶を用いて、X線回折により構造決定することができる。
また、本発明のポリアセン化合物は、無置換のポリアセン化合物と同様に斜方晶系構造又は立方晶系構造を示す。ここで、結晶の格子定数a,b,cが決定でき、このc軸格子定数は細長い分子の分子長が配列した格子ユニット長さに対応し、a軸及びb軸格子定数は分子の共役面がスタックした分子カラム面内の格子ユニットの大きさに対応する。
The polyacene compound of the present invention has crystallinity, and this crystal structure is a herringbone type and shows a structure in which molecules are arranged. This herringbone crystal structure has a lattice structure in which elongated molecules are stacked in an arrowhead shape. These crystal structures can be determined by X-ray diffraction using crystals purified and purified as described above.
In addition, the polyacene compound of the present invention exhibits an orthorhombic structure or a cubic structure similarly to the unsubstituted polyacene compound. Here, the lattice constants a, b, and c of the crystal can be determined. The c-axis lattice constant corresponds to the lattice unit length in which the molecular lengths of the elongated molecules are arranged, and the a-axis and b-axis lattice constants are the conjugate planes of the molecules. Corresponds to the size of the lattice unit in the surface of the stacked molecular column.

さらに、本発明のポリアセン化合物は、分子の共役面がスタックした面の分子間距離(a軸及びb軸格子定数に対応する)が、無置換のポリアセン化合物と比較して同等又は縮小した構造を示す。このことは分子間のπ電子の重なりが大きく、キャリアが容易に分子間を移動できることにつながり、高い移動度を示す原因と考えられる。また。c軸格子定数はポリアセン化合物の長軸方向の分子長に対応して変化し、ほぼ分子長と同等又は若干小さい値を示す。   Furthermore, the polyacene compound of the present invention has a structure in which the intermolecular distance (corresponding to the a-axis and b-axis lattice constants) where the conjugated surfaces of the molecules are stacked is equivalent or reduced as compared with the unsubstituted polyacene compound. Show. This is because the overlap of π electrons between the molecules is large, and the carriers can easily move between the molecules, which is considered to be a cause of high mobility. Also. The c-axis lattice constant changes corresponding to the molecular length in the major axis direction of the polyacene compound, and is almost equal to or slightly smaller than the molecular length.

さらに、本発明のポリアセン化合物のうち、分子構造中にハロゲン元素を有しているものは、ハロゲン元素を有していないものと比べて耐酸化性が優れている。これは、ハロゲン元素の導入により分子のイオン化ポテンシャルが増加し、酸素等の酸化剤に対する反応性が低下したためである。また、ハロゲン元素の導入により電子受容性分子との電荷移動も抑制されるので、半導体のキャリア濃度変動安定性にもつながる。   Furthermore, among the polyacene compounds of the present invention, those having a halogen element in the molecular structure are superior in oxidation resistance compared to those having no halogen element. This is because the introduction of a halogen element increases the ionization potential of the molecule and decreases the reactivity with oxidizing agents such as oxygen. In addition, introduction of a halogen element also suppresses charge transfer with the electron-accepting molecule, which leads to stability of fluctuation in carrier concentration of the semiconductor.

さらに、本発明のポリアセン化合物で電界効果トランジスタを製造した場合には、ゲート電圧の変化に対するドレイン電流の変化が大きく、高いon/off電流比が安定して得られる。そして、このドレイン電流の変化が急激であることから、優れた素子性能を示す。   Furthermore, when a field effect transistor is manufactured using the polyacene compound of the present invention, the drain current changes greatly with respect to the gate voltage, and a high on / off current ratio can be obtained stably. And since the change of this drain current is abrupt, the outstanding device performance is shown.

次に、本発明の有機半導体薄膜について説明する。
本発明の有機半導体薄膜の形成方法としては、公知の方法を採用することが可能であり、ウェットプロセスで形成することも可能である。従来公知の無置換ポリアセン化合物は一般の溶媒に室温では難溶であり、溶液化と溶液の塗布による薄膜形成とが困難であったが、本発明のポリアセン化合物は、官能基の導入により溶媒に対する溶解性が無置換ポリアセン化合物と比べて同等又は高いので、溶液化と溶液の塗布による薄膜形成とが可能である。
Next, the organic semiconductor thin film of the present invention will be described.
As a method for forming the organic semiconductor thin film of the present invention, a known method can be adopted, and it can also be formed by a wet process. Conventionally known unsubstituted polyacene compounds are hardly soluble in ordinary solvents at room temperature, and it has been difficult to form a thin film by applying a solution and applying a solution. However, the polyacene compound of the present invention can be added to a solvent by introducing a functional group. Since the solubility is equal to or higher than that of the unsubstituted polyacene compound, it is possible to form a solution and form a thin film by applying the solution.

また。本発明の有機半導体薄膜の形成方法としては、ポリアセン化合物の結晶粒子を溶媒に分散させた分散体を塗布又は噴霧する方法も採用可能である。本発明のポリアセン化合物は結晶性が高く、気相成長又は液相成長させて結晶粒子を形成することが容易である。本発明のポリアセン化合物は、前記のように細長い分子がスタックしたカラム状の結晶を形成し、結晶粒子の形態は板状構造となりやすい。これら板状の結晶を分散した分散体を塗布又は噴霧し、溶媒を蒸発、抽出などで除去して、結晶粒子が単層又は複数層積層された薄膜を形成することができる。   Also. As a method for forming the organic semiconductor thin film of the present invention, a method of applying or spraying a dispersion in which crystal particles of a polyacene compound are dispersed in a solvent can be employed. The polyacene compound of the present invention has high crystallinity, and it is easy to form crystal grains by vapor phase growth or liquid phase growth. The polyacene compound of the present invention forms columnar crystals in which elongated molecules are stacked as described above, and the form of crystal particles tends to be a plate-like structure. A dispersion in which these plate-like crystals are dispersed can be applied or sprayed, and the solvent can be removed by evaporation, extraction, or the like, to form a thin film in which crystal particles are laminated in a single layer or multiple layers.

本発明の有機半導体薄膜は、本発明のポリアセン化合物の溶液又は分散体を基板等のベース上に被覆した上、加熱等の方法により前記溶媒を気化させること又は抽出することにより得ることができる。前記溶液又は分散体をベース上に被覆する方法としては、塗布,噴霧の他、ベースを前記溶液又は分散体に接触させる方法等があげられる。具体的には、スピンコート,ディップコート,スクリーン印刷,インクジェット印刷,ブレード塗布,印刷(平版印刷,凹版印刷,凸版印刷等)等の公知の方法があげられる。   The organic semiconductor thin film of the present invention can be obtained by coating the solution or dispersion of the polyacene compound of the present invention on a base such as a substrate and then evaporating or extracting the solvent by a method such as heating. Examples of a method of coating the base with the solution or dispersion include a method of bringing the base into contact with the solution or dispersion in addition to coating and spraying. Specific examples include known methods such as spin coating, dip coating, screen printing, ink jet printing, blade coating, printing (lithographic printing, intaglio printing, letterpress printing, etc.).

これらの印刷方法には、本発明のポリアセン化合物の溶液又は分散体に、粘度,表面エネルギー等を調節するための添加物や、水,酸素等の反応性不純物を除去する反応性不純物除去剤等の安定化剤を加えたインクを用いることができる。
このような操作は、通常の大気下又は窒素,アルゴン等の不活性ガス雰囲気下で行うことができる。ただし、一部のポリアセン化合物の溶液は酸化されやすい場合もあるため、溶液の作製,保存及び有機半導体薄膜の作製は、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
In these printing methods, the polyacene compound solution or dispersion of the present invention includes additives for adjusting viscosity, surface energy, and the like, and reactive impurity removers for removing reactive impurities such as water and oxygen. Ink added with the above stabilizer can be used.
Such an operation can be performed in a normal atmosphere or an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. However, since some polyacene compound solutions may be easily oxidized, preparation and storage of the solution and preparation of the organic semiconductor thin film are preferably performed in an inert gas atmosphere.

また、溶媒を気化させる際には、ベース付近の温度や雰囲気の溶媒蒸気圧により気液界面の溶媒気化速度を調節することによって、結晶成長を制御することができる。さらに、ポリアセン化合物の溶液にベースを接触させて、過飽和状態でベースの表面に有機半導体薄膜を形成させることも可能である。さらに、所望により、ポリアセン化合物の溶液とベースとの界面に、温度勾配,電場,磁場の少なくとも1つを印加して、結晶成長を制御することができる。これらの方法により高結晶性の有機半導体薄膜を製造することが可能であり、得られた有機半導体薄膜は高結晶性であることから半導体特性が優れている。   When the solvent is vaporized, crystal growth can be controlled by adjusting the solvent vaporization rate at the gas-liquid interface according to the temperature near the base and the solvent vapor pressure of the atmosphere. Furthermore, it is also possible to form an organic semiconductor thin film on the surface of the base in a supersaturated state by bringing the base into contact with a solution of a polyacene compound. Furthermore, if desired, crystal growth can be controlled by applying at least one of a temperature gradient, an electric field, and a magnetic field to the interface between the polyacene compound solution and the base. By these methods, a highly crystalline organic semiconductor thin film can be produced, and the obtained organic semiconductor thin film has high crystallinity and thus has excellent semiconductor characteristics.

さらに、有機半導体薄膜の安定性,半導体特性の点から、有機半導体薄膜中に残存する溶媒の量は低いことが好ましい。よって、通常は、有機半導体薄膜を形成した後に再度加熱処理及び/又は減圧処理を施して、有機半導体薄膜中に残存する溶媒をほぼ完全に除去することが好ましい。ただし、本発明のポリアセン化合物は、通常の有機化合物に比べて結晶性が高く、薄膜中に残存する溶媒の量が少ないので、この乾燥工程を簡略化することもできる。   Furthermore, the amount of the solvent remaining in the organic semiconductor thin film is preferably low from the viewpoint of the stability and semiconductor characteristics of the organic semiconductor thin film. Therefore, it is usually preferable to remove the solvent remaining in the organic semiconductor thin film almost completely by performing a heat treatment and / or a reduced pressure treatment again after forming the organic semiconductor thin film. However, since the polyacene compound of the present invention has higher crystallinity than ordinary organic compounds and the amount of the solvent remaining in the thin film is small, this drying step can be simplified.

一方、本発明の有機半導体薄膜は、ドライプロセスの薄膜形成方法によっても形成可能である。例えば、真空蒸着,MBE法(Molecular Beam Epitaxy),スパッタリング法,レーザー蒸着法,気相輸送成長法等があげられる。そして、このような方法により、基板表面に薄膜を形成することができる。
本発明で用いるポリアセン化合物は昇華性を示すので、前述の方法で薄膜を形成することが可能である。MBE法,真空蒸着法,及び気相輸送成長法は、ポリアセン化合物を加熱して昇華した蒸気を、高真空,真空,低真空又は常圧で基板表面に輸送して薄膜を形成するものである。
On the other hand, the organic semiconductor thin film of the present invention can also be formed by a thin film forming method of a dry process. For example, vacuum deposition, MBE (Molecular Beam Epitaxy), sputtering, laser deposition, vapor transport growth, and the like can be mentioned. And by such a method, a thin film can be formed on the substrate surface.
Since the polyacene compound used in the present invention exhibits sublimation properties, it is possible to form a thin film by the method described above. In the MBE method, the vacuum deposition method, and the vapor transport growth method, a vapor obtained by heating a polyacene compound and sublimating it is transported to the substrate surface at high vacuum, vacuum, low vacuum, or normal pressure to form a thin film. .

また、スパッタリング法は、ポリアセン化合物をプラズマ中でイオン化させて、ポリアセン化合物の分子を基板上に堆積して薄膜を形成する方法である。さらに、レーザー蒸着法は、レーザー照射によりポリアセン化合物を加熱して蒸気を生成させ、ポリアセン化合物の分子を基板上に堆積して薄膜を形成する方法である。前述の製法のうちMBE法,真空蒸着法,及び気相輸送成長法は、生成する薄膜の平坦性及び結晶性に優れるので好ましい。   The sputtering method is a method of forming a thin film by ionizing a polyacene compound in plasma and depositing molecules of the polyacene compound on a substrate. Further, the laser vapor deposition method is a method of forming a thin film by heating a polyacene compound by laser irradiation to generate vapor and depositing molecules of the polyacene compound on a substrate. Among the above-mentioned production methods, the MBE method, the vacuum evaporation method, and the vapor transport growth method are preferable because they are excellent in flatness and crystallinity of a thin film to be formed.

MBE法や真空蒸着法における薄膜作製条件としては、例えば、基板温度は室温以上100℃以下とすることが好ましい。基板温度が低温であるとアモルファス状の薄膜が形成されやすく、また、100℃を超えると薄膜の表面平滑性が低下する。また、気相輸送成長法の場合は、基板温度は室温以上200℃以下とすることが好ましい。
また、本発明のポリアセン化合物は、薄膜成長速度が高い場合でも結晶性の良好な薄膜を形成しやすく、高速成膜が可能である。成長速度は、0.1nm/min以上1μm/sec以下の範囲とすることが好ましい。0.1nm/min未満では結晶性が低下しやすく、1μm/secを超えると薄膜の表面平滑性が低下する。
As a thin film production condition in the MBE method or the vacuum vapor deposition method, for example, the substrate temperature is preferably set to room temperature to 100 ° C. When the substrate temperature is low, an amorphous thin film is likely to be formed, and when the substrate temperature exceeds 100 ° C., the surface smoothness of the thin film decreases. In the case of the vapor transport growth method, the substrate temperature is preferably room temperature or higher and 200 ° C. or lower.
In addition, the polyacene compound of the present invention can easily form a thin film with good crystallinity even when the thin film growth rate is high, and high-speed film formation is possible. The growth rate is preferably in the range of 0.1 nm / min to 1 μm / sec. If it is less than 0.1 nm / min, the crystallinity tends to decrease, and if it exceeds 1 μm / sec, the surface smoothness of the thin film decreases.

このように、ドライプロセス又はウェットプロセスにより、ポリアセン化合物からなる有機半導体薄膜が形成できる。
前述したように、本発明のポリアセン化合物は、結晶性及び半導体特性に優れた薄膜を形成することができる。また、本発明の有機半導体薄膜においては、ポリアセン化合物は、分子の長軸がベース面に対して垂直方向に配向している。これは、ポリアセン化合物の分子の分子凝集力が強く、分子面同士でスタックした分子カラムを形成しやすいためであると考えられる。したがって、有機半導体薄膜のX線回折パターンは、結晶の(00n)面強度が強く現れやすい。この面間距離は、結晶のc軸格子定数にあたる。
Thus, an organic semiconductor thin film made of a polyacene compound can be formed by a dry process or a wet process.
As described above, the polyacene compound of the present invention can form a thin film having excellent crystallinity and semiconductor characteristics. In the organic semiconductor thin film of the present invention, the polyacene compound has the long axis of the molecule oriented in the direction perpendicular to the base surface. This is considered to be because the molecular cohesion of the molecules of the polyacene compound is strong, and it is easy to form a molecular column stacked on the molecular surfaces. Therefore, the X-ray diffraction pattern of the organic semiconductor thin film tends to appear with a strong (00n) plane strength of the crystal. This inter-plane distance corresponds to the c-axis lattice constant of the crystal.

また、本発明のポリアセン化合物は、その結晶の結晶軸のa軸方向及び/又はb軸方向の分子間距離が縮小する場合があり、この分子間距離の縮小によってキャリア移動が起こりやすく、その結果、高い移動度を示す。このような有機半導体薄膜で構成された有機半導体素子は、層状に形成された分子カラムに沿ってキャリアが流れやすい性質を持つものと思われる。そして、このa軸及びb軸の格子定数は、斜め入射X線回折,透過型電子線回折,薄膜のエッジ部にX線を入射させ回折を測定する方法などによって観測することができる。   Further, in the polyacene compound of the present invention, the intermolecular distance in the a-axis direction and / or the b-axis direction of the crystal axis of the crystal may be reduced, and carrier movement is likely to occur due to the reduction in the intermolecular distance. Show high mobility. An organic semiconductor element composed of such an organic semiconductor thin film is considered to have a property that carriers can easily flow along a molecular column formed in layers. The a-axis and b-axis lattice constants can be observed by oblique incident X-ray diffraction, transmission electron diffraction, a method in which X-rays are incident on the edge of a thin film, and diffraction is measured.

さらに、通常の無機半導体薄膜は、その結晶性がベースの材料の結晶性,面方位の影響を受けるが、本発明の有機半導体薄膜は、ベースの材料の結晶性,面方位に関係なく高結晶性の薄膜となる。よって、ベースの材料には、結晶性,非晶性に関係なく種々の材料を用いることが可能である。
例えば、ガラス,石英,酸化アルミニウム,サファイア,チッ化珪素,炭化珪素等のセラミックや、シリコン,ゲルマニウム,ガリウム砒素,ガリウム燐,ガリウム窒素等の半導体があげられる。また、ポリエステル(ポリエチレンテレフタレート,ポリエチレンナフタレート等),ポリエチレン,ポリプロピレン,ポリビニルアルコール,エチレンビニルアルコール共重合体,環状ポリオレフィン,ポリイミド,ポリアミド,ポリスチレン,ポリカーボネート,ポリエーテルスルフォン,ポリスルフォン,ポリメチルメタクリレート等の樹脂や、紙、不織布などがあげられる。
Furthermore, although the normal inorganic semiconductor thin film is affected by the crystallinity and plane orientation of the base material, the organic semiconductor thin film of the present invention is highly crystalline regardless of the crystallinity and plane orientation of the base material. A thin film. Therefore, various materials can be used for the base material regardless of crystallinity or amorphousness.
Examples thereof include ceramics such as glass, quartz, aluminum oxide, sapphire, silicon nitride, and silicon carbide, and semiconductors such as silicon, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, and gallium nitrogen. Polyester (polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, etc.), polyethylene, polypropylene, polyvinyl alcohol, ethylene vinyl alcohol copolymer, cyclic polyolefin, polyimide, polyamide, polystyrene, polycarbonate, polyether sulfone, polysulfone, polymethyl methacrylate, etc. Examples include resin, paper, and non-woven fabric.

これらの材料からなる基板に薄膜を形成する際には、溶液又は分散体の極薄の層を基板の表面に形成し、両者を反応させて、基板の表面エネルギーを調整することにより、形成する薄膜の結晶性を調整することもできる。本発明の有機半導体薄膜をトランジスタに用いる場合は、通常は基板の表面を疎水化させた方が、成長する結晶粒子の増大化やキャリアトラップの低減に対して好ましい。   When a thin film is formed on a substrate made of these materials, an ultrathin layer of a solution or dispersion is formed on the surface of the substrate, and both are reacted to adjust the surface energy of the substrate. The crystallinity of the thin film can also be adjusted. When the organic semiconductor thin film of the present invention is used for a transistor, it is usually preferable to make the surface of the substrate hydrophobic in order to increase the crystal grains to grow and to reduce carrier traps.

また、基板の表面に、局所的に疎水化/親水化したパターン又は物理的な隔壁構造を形成し、ドライプロセス又はウェットプロセスで有機半導体薄膜を形成することによって、有機半導体薄膜の膜質に薄膜面内で局所的に分布を持たせることも可能である。特に、ウェットプロセスにおいて溶液や分散体を基板に塗布する際には、基板の表面エネルギーによって濡れ性が異なることや、物理的な隔壁によって溶液や分散体の流動、移動を制御することを利用して、ウェット/デウェットのパターンで有機半導体薄膜のパターンを得ることもできる。   In addition, a locally hydrophobized / hydrophilized pattern or physical partition structure is formed on the surface of the substrate, and the organic semiconductor thin film is formed by a dry process or a wet process. It is also possible to have a distribution locally in the. In particular, when a solution or dispersion is applied to a substrate in a wet process, the wettability varies depending on the surface energy of the substrate, and the flow and movement of the solution or dispersion are controlled by physical partition walls. Thus, a pattern of the organic semiconductor thin film can be obtained by a wet / dewet pattern.

また、ベースの形状は特に限定されるものではないが、通常はシート状のベースや板状のベース(基板)が用いられる。
本発明の有機半導体薄膜はキャリア移動度が高いことが特徴であり、1×10-4cm2 /V・s以上であることが好ましい。より好ましくは1×10-3cm2 /V・s以上であり、最も好ましくは1×10-2cm2 /V・s以上である。
Further, the shape of the base is not particularly limited, but a sheet-like base or a plate-like base (substrate) is usually used.
The organic semiconductor thin film of the present invention is characterized by high carrier mobility, and is preferably 1 × 10 −4 cm 2 / V · s or more. More preferably, it is 1 × 10 −3 cm 2 / V · s or more, and most preferably 1 × 10 −2 cm 2 / V · s or more.

このような有機半導体薄膜を用いることにより、エレクトロニクス,フォトニクス,バイオエレクトロニクス等の分野において有益な半導体素子を製造することができる。このような半導体素子の例としては、ダイオード,トランジスタ,薄膜トランジスタ,メモリ,フォトダイオード,発光ダイオード,発光トランジスタ,センサ等があげられる。
トランジスタ及び薄膜トランジスタは、液晶ディスプレイ,分散型液晶ディスプレイ,電気泳動型ディスプレイ,粒子回転型表示素子,エレクトロクロミックディスプレイ,有機発光ディスプレイ,電子ペーパー等の種々の表示素子に利用可能であり、これらの表示素子を用いて様々なディスプレイ装置を製造することができる。トランジスタ及び薄膜トランジスタは、これらの表示素子において表示画素のスイッチング用トランジスタ,信号ドライバ回路素子,メモリ回路素子,信号処理回路素子等に利用される。
By using such an organic semiconductor thin film, a semiconductor element useful in fields such as electronics, photonics, and bioelectronics can be manufactured. Examples of such semiconductor elements include diodes, transistors, thin film transistors, memories, photodiodes, light emitting diodes, light emitting transistors, sensors, and the like.
Transistors and thin film transistors can be used in various display elements such as liquid crystal displays, distributed liquid crystal displays, electrophoretic displays, particle rotating display elements, electrochromic displays, organic light-emitting displays, and electronic paper. Various display devices can be manufactured using the. Transistors and thin film transistors are used in these display elements as switching transistors, signal driver circuit elements, memory circuit elements, signal processing circuit elements, and the like of display pixels.

半導体素子がトランジスタである場合には、その素子構造としては、例えば、基板/ゲート電極/絶縁体層(誘電体層)/ソース電極・ドレイン電極/半導体層という構造、基板/半導体層/ソース電極・ドレイン電極/絶縁体層(誘電体層)/ゲート電極という構造、基板/ソース電極(又はドレイン電極)/半導体層+絶縁体層(誘電体層)+ゲート電極/ドレイン電極(又はソース電極)という構造等があげられる。このとき、ソース電極,ドレイン電極,ゲート電極は、それぞれ複数設けてもよい。また、複数の半導体層を同一平面内に設けてもよいし、積層して設けてもよい。   When the semiconductor element is a transistor, the element structure includes, for example, a structure of substrate / gate electrode / insulator layer (dielectric layer) / source electrode / drain electrode / semiconductor layer, substrate / semiconductor layer / source electrode. -Structure of drain electrode / insulator layer (dielectric layer) / gate electrode, substrate / source electrode (or drain electrode) / semiconductor layer + insulator layer (dielectric layer) + gate electrode / drain electrode (or source electrode) The structure etc. are mention | raise | lifted. At this time, a plurality of source electrodes, drain electrodes, and gate electrodes may be provided. Further, a plurality of semiconductor layers may be provided in the same plane or may be provided in a stacked manner.

トランジスタの構成としては、MOS(メタル−酸化物(絶縁体層)−半導体)型及びバイポーラ型のいずれでも採用可能である。ポリアセン化合物は、通常はp型半導体であるので、ドナードーピングしてn型半導体としたポリアセン化合物と組み合わせたり、ポリアセン化合物以外のn型半導体と組み合わせたりすることにより、素子を構成することができる。   As the structure of the transistor, either a MOS (metal-oxide (insulator layer) -semiconductor) type or a bipolar type can be employed. Since the polyacene compound is usually a p-type semiconductor, the device can be configured by combining with a polyacene compound that is an n-type semiconductor by donor doping or by combining with an n-type semiconductor other than the polyacene compound.

また、半導体素子がダイオードである場合には、その素子構造としては、例えば、電極/n型半導体層/p型半導体層/電極という構造があげられる。そして、p型半導体層に本発明の有機半導体薄膜が使用され、n型半導体層に前述のn型半導体が使用される。
半導体素子における有機半導体薄膜内部又は有機半導体薄膜表面と電極との接合面の少なくとも一部は、ショットキー接合及び/又はトンネル接合とすることができる。このような接合構造を有する半導体素子は、単純な構成によりダイオードやトランジスタを作製することができるので好ましい。さらに、このような接合構造を有する有機半導体素子を複数接合して、インバータ,オシレータ,メモリ,センサ等の素子を形成することもできる。
When the semiconductor element is a diode, the element structure includes, for example, a structure of electrode / n-type semiconductor layer / p-type semiconductor layer / electrode. And the organic-semiconductor thin film of this invention is used for a p-type semiconductor layer, and the above-mentioned n-type semiconductor is used for an n-type semiconductor layer.
At least a part of the interface between the organic semiconductor thin film in the semiconductor element or the surface of the organic semiconductor thin film and the electrode can be a Schottky junction and / or a tunnel junction. A semiconductor element having such a junction structure is preferable because a diode or a transistor can be manufactured with a simple structure. Furthermore, a plurality of organic semiconductor elements having such a junction structure can be joined to form elements such as an inverter, an oscillator, a memory, and a sensor.

さらに、本発明の半導体素子を表示素子として用いる場合は、表示素子の各画素に配置され各画素の表示をスイッチングするトランジスタ素子(ディスプレイTFT)として利用できる。このようなアクティブ駆動表示素子は、対向する導電性基板のパターニングが不要なため、回路構成によっては、画素をスイッチングするトランジスタを持たないパッシブ駆動表示素子と比べて画素配線を簡略化できる。通常は、1画素当たり1個から数個のスイッチング用トランジスタが配置される。このような表示素子は、基板面に二次元的に形成したデータラインとゲートラインとを交差した構造を有し、データラインやゲートラインがトランジスタのゲート電極,ソース電極,ドレイン電極にそれぞれ接合されている。なお、データラインとゲートラインとを分割することや、電流供給ライン,信号ラインを追加することも可能である。   Further, when the semiconductor element of the present invention is used as a display element, it can be used as a transistor element (display TFT) that is arranged in each pixel of the display element and switches display of each pixel. Since such an active drive display element does not require patterning of an opposing conductive substrate, depending on the circuit configuration, pixel wiring can be simplified compared to a passive drive display element that does not have a transistor for switching pixels. Usually, one to several switching transistors are arranged per pixel. Such a display element has a structure in which a data line and a gate line which are two-dimensionally formed on a substrate surface cross each other, and the data line and the gate line are respectively joined to the gate electrode, the source electrode and the drain electrode of the transistor. ing. It is possible to divide the data line and the gate line, and to add a current supply line and a signal line.

また、表示素子の画素に、画素配線,トランジスタに加えてキャパシタを併設して、信号を記録する機能を付与することもできる。さらに、表示素子が形成された基板に、データライン及びゲートラインのドライバ,画素信号のメモリ,パルスジェネレータ,信号分割器,コントローラ等を搭載することもできる。
また、本発明の有機半導体素子は、ICカード,スマートカード,及び電子タグにおける演算素子,記憶素子としても利用することができる。その場合、これらが接触型であっても非接触型であっても、問題なく適用可能である。このICカード,スマートカード,及び電子タグは、メモリ,パルスジェネレータ,信号分割器,コントローラ,キャパシタ等で構成されており、さらにアンテナ,バッテリを備えていてもよい。
In addition to the pixel wiring and the transistor, a capacitor can be provided in addition to the pixel of the display element to provide a signal recording function. Furthermore, a data line and gate line driver, a pixel signal memory, a pulse generator, a signal divider, a controller, and the like can be mounted on the substrate on which the display element is formed.
The organic semiconductor element of the present invention can also be used as an arithmetic element and a storage element in an IC card, a smart card, and an electronic tag. In that case, even if these are a contact type or a non-contact type, they can be applied without any problem. The IC card, smart card, and electronic tag are composed of a memory, a pulse generator, a signal divider, a controller, a capacitor, and the like, and may further include an antenna and a battery.

さらに、本発明の有機半導体素子でダイオード,ショットキー接合構造を有する素子,トンネル接合構造を有する素子を構成すれば、その素子は光電変換素子,太陽電池,赤外線センサ等の受光素子,フォトダイオードとして利用することもできるし、発光素子として利用することもできる。また、本発明の有機半導体素子でトランジスタを構成すれば、そのトランジスタは発光トランジスタとして利用することができる。これらの発光素子の発光層には、公知の有機材料や無機材料を使用することができる。   Furthermore, if the organic semiconductor element of the present invention is configured as a diode, an element having a Schottky junction structure, or an element having a tunnel junction structure, the element can be used as a light receiving element such as a photoelectric conversion element, a solar cell, an infrared sensor, or a photodiode. It can be used as a light emitting element. In addition, when a transistor is constituted by the organic semiconductor element of the present invention, the transistor can be used as a light emitting transistor. A known organic material or inorganic material can be used for the light emitting layer of these light emitting elements.

さらに、本発明の有機半導体素子はセンサとして利用することができ、ガスセンサ,バイオセンサ,血液センサ,免疫センサ,人工網膜,味覚センサ,圧力センサ、スキャナー,位置センサ等、種々のセンサに応用することができる。通常は、有機半導体素子を構成する有機半導体薄膜に測定対象物を接触又は隣接させた際に生じる有機半導体薄膜の抵抗値の変化によって、測定対象物の分析を行うことができる。ただし、これに限定されず、本発明のポリアセン化合物を用いたセンサは、検出部以外の信号増幅部や信号転送部として、又は、単素子、複合素子、若しくはアレイとして利用することができる。   Furthermore, the organic semiconductor element of the present invention can be used as a sensor and applied to various sensors such as a gas sensor, biosensor, blood sensor, immune sensor, artificial retina, taste sensor, pressure sensor, scanner, and position sensor. Can do. Usually, the measurement object can be analyzed by a change in the resistance value of the organic semiconductor thin film that occurs when the measurement object is brought into contact with or adjacent to the organic semiconductor thin film constituting the organic semiconductor element. However, the present invention is not limited to this, and the sensor using the polyacene compound of the present invention can be used as a signal amplification unit or a signal transfer unit other than the detection unit, or as a single element, a composite element, or an array.

以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
〔実施例1:2−(ジメチルペンチルシリル)ペンタセン〕
〔ポリアセン化合物の合成について〕
2−(ジメチルペンチルシリル)−1,3−ブタジエンとアセチレンジカルボン酸ジメチルとのディールス−アルダー反応により合成した化合物を、2,3−ジクロロ−5,6−ジシアノ−p−ベンゾキノン(DDQ)で酸化して、4−(ジメチルペンチルシリル)フタル酸ジメチルとした。これを還元した後にSwern酸化して、4−(ジメチルペンチルシリル)フタルアルデヒドを得た。次に、このフタルアルデヒド誘導体と1,4−ジヒドロキシアントラセンとを等モル量用いて縮合環化して、2−(ジメチルペンチルシリル)ペンタセン−6,13−キノンを合成した。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[Example 1: 2- (dimethylpentylsilyl) pentacene]
[Synthesis of polyacene compounds]
A compound synthesized by Diels-Alder reaction of 2- (dimethylpentylsilyl) -1,3-butadiene and dimethyl acetylenedicarboxylate is oxidized with 2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone (DDQ) Thus, dimethyl 4- (dimethylpentylsilyl) phthalate was obtained. This was reduced and then subjected to Swern oxidation to obtain 4- (dimethylpentylsilyl) phthalaldehyde. Next, this phthalaldehyde derivative and 1,4-dihydroxyanthracene were condensed and cyclized using an equimolar amount to synthesize 2- (dimethylpentylsilyl) pentacene-6,13-quinone.

次に、2−(ジメチルペンチルシリル)ペンタセン−6,13−キノン300mgとアルミニウムトリイソプロポキシド1.2gとの混合物を、減圧下において180〜220℃に加熱し、その状態で1.5時間反応させた。この反応により、2−(ジメチルペンチルシリル)ペンタセン−6,13−キノンの還元と芳香化が進行して、2−(ジメチルペンチルシリル)ペンタセンが生成する。   Next, a mixture of 300 mg of 2- (dimethylpentylsilyl) pentacene-6,13-quinone and 1.2 g of aluminum triisopropoxide was heated to 180-220 ° C. under reduced pressure and kept in that state for 1.5 hours. Reacted. By this reaction, reduction and aromatization of 2- (dimethylpentylsilyl) pentacene-6,13-quinone proceed to produce 2- (dimethylpentylsilyl) pentacene.

混合物を冷却した後に希塩酸で処理し、水溶液に不溶の生成物を濾取した。この粗生物に対して、ヘキサンとクロロホルムとの混合溶媒、次いでアセトニトリルを用いた洗浄と濾過操作を繰り返すことにより、粗生物から副生生物を完全に除去して精製物を得た。この青藍色の精製物を真空乾燥して、高純度の2−(ジメチルペンチルシリル)ペンタセン(下記の化学式(VI)を参照)40mgを得た。この反応における収率は14.5%であった。   The mixture was cooled and then treated with dilute hydrochloric acid, and the product insoluble in the aqueous solution was collected by filtration. This crude product was repeatedly washed and filtered with a mixed solvent of hexane and chloroform and then acetonitrile, and the by-product was completely removed from the crude product to obtain a purified product. This blue-blue purified product was vacuum-dried to obtain 40 mg of high-purity 2- (dimethylpentylsilyl) pentacene (see the following chemical formula (VI)). The yield in this reaction was 14.5%.

Figure 2010168305
Figure 2010168305

得られた2−(ジメチルペンチルシリル)ペンタセンを重水素化1,1,2,2−テトラクロロエタンに溶解し、80℃にて核磁気共鳴(NMR)スペクトル測定を行った。結果を以下に示す。
1H−NMR(ppm):δ0.41(s、6H)、0.91(m、6H)、1.34〜1.40(m、5H)、7.34(s、2H)、7.43(d、1H)、7.90(d、1H)、7.95(s、2H)、8.11(s、1H)、8.63(s、4H)、8.67(s、3H)、8.97(s、2H)
また、2−(ジメチルペンチルシリル)ペンタセンについて、質量分析を行った。結果は以下の通りである。
The obtained 2- (dimethylpentylsilyl) pentacene was dissolved in deuterated 1,1,2,2-tetrachloroethane, and nuclear magnetic resonance (NMR) spectrum measurement was performed at 80 ° C. The results are shown below.
1 H-NMR (ppm): δ 0.41 (s, 6H), 0.91 (m, 6H), 1.34 to 1.40 (m, 5H), 7.34 (s, 2H), 7. 43 (d, 1H), 7.90 (d, 1H), 7.95 (s, 2H), 8.11 (s, 1H), 8.63 (s, 4H), 8.67 (s, 3H) ), 8.97 (s, 2H)
In addition, mass spectrometry was performed on 2- (dimethylpentylsilyl) pentacene. The results are as follows.

FAB−MS(NBA):m/z=406
計算値:m/z=406
〔有機半導体薄膜の作製について〕
前述のようにして合成した2−(ジメチルペンチルシリル)ペンタセン10mgにテトラリン10mlを混合し、室温で溶液を調整した。表面が熱酸化され厚さ200nmのSiO2 膜が形成されたシリコン基板に、ヘキサメチルジシラザンをスピンコートしたものを用意し、その表面に前記テトラリン溶液を滴下して塗布した。そして、溶媒を気化させて、シリコン基板上に平均膜厚150nmの薄膜を形成した。
FAB-MS (NBA): m / z = 406
Calculated value: m / z = 406
[Production of organic semiconductor thin film]
10 mg of tetralin was mixed with 10 mg of 2- (dimethylpentylsilyl) pentacene synthesized as described above to prepare a solution at room temperature. A silicon substrate on which a surface was thermally oxidized to form a SiO 2 film having a thickness of 200 nm was prepared by spin-coating hexamethyldisilazane, and the tetralin solution was dropped onto the surface of the silicon substrate. And the solvent was vaporized and the thin film with an average film thickness of 150 nm was formed on the silicon substrate.

広角X線回折パターン測定により薄膜の結晶構造を解析した結果、面間距離2.66nmの回折ピークが観測された。この結果より、2−(ジメチルペンチルシリル)ペンタセン分子の長軸が、基板に垂直方向に沿って配向していることがわかった。
〔薄膜トランジスタの作製について〕
前述と同様の厚さ200nmの熱酸化膜を表面に備えたシリコン基板の表面に、金/チタン薄膜(厚さは、金が22nm、チタンが3nm)をフォトリソグラフィーによってパターン形成して、ソース・ドレイン電極を形成した。なお、ソース・ドレイン電極のチャネル長は20μmで、チャネル幅は500μmである。
As a result of analyzing the crystal structure of the thin film by wide-angle X-ray diffraction pattern measurement, a diffraction peak with an interplane distance of 2.66 nm was observed. From this result, it was found that the long axis of the 2- (dimethylpentylsilyl) pentacene molecule was aligned along the direction perpendicular to the substrate.
[Production of thin film transistor]
A gold / titanium thin film (with a thickness of 22 nm for gold and 3 nm for titanium) is patterned by photolithography on the surface of a silicon substrate having a thermal oxide film having a thickness of 200 nm as described above. A drain electrode was formed. The source / drain electrodes have a channel length of 20 μm and a channel width of 500 μm.

次に、このような電極パターンが形成されたシリコン基板上に、前述と同様にして、平均膜厚150nmの2−(ジメチルペンチルシリル)ペンタセン薄膜を半導体層として形成し、トランジスタ構造とした。
該トランジスタのシリコン基板をゲート電極として、ソース・ドレイン電極間のドレイン電流/ゲート電圧曲線を測定した。その際には、ゲート電極に40V〜−60Vの電圧を走査し、ドレイン電圧を−20Vとしてドレイン電流の変化を観測した。得られた伝達特性はp型半導体動作を示し、飽和領域で求めたキャリア移動度は0.16cm2 /Vsで、閾値電圧は−1.3Vであった。
Next, a 2- (dimethylpentylsilyl) pentacene thin film having an average film thickness of 150 nm was formed as a semiconductor layer on the silicon substrate on which such an electrode pattern was formed in the same manner as described above to obtain a transistor structure.
Using the silicon substrate of the transistor as the gate electrode, the drain current / gate voltage curve between the source and drain electrodes was measured. At that time, the gate electrode was scanned with a voltage of 40 V to −60 V, the drain voltage was set to −20 V, and the change in the drain current was observed. The obtained transfer characteristics showed p-type semiconductor operation, the carrier mobility determined in the saturation region was 0.16 cm 2 / Vs, and the threshold voltage was −1.3 V.

本発明は、エレクトロニクス,フォトニクス,バイオエレクトロニクス等において好適である。   The present invention is suitable for electronics, photonics, bioelectronics and the like.

Claims (14)

下記の化学式(I)で表されるような構造を有することを特徴とするポリアセン化合物。
Figure 2010168305
Figure 2010168305
ただし、化学式(I)中のXはそれぞれハロゲン基又は水素原子であり、mは1以上6以下の整数である。また、化学式(I)中のR1 ,R2 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8 のうち少なくとも一つは、化学式(II)で示されるケイ素含有基であり、残部は水素原子である。さらに、化学式(II)中のB1 ,B2 ,B3 はそれぞれ、アルキル基,アルケニル基,アルキニル基等の脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、エステル基、アルキルオキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、カルボキシル基、ホルミル基、水酸基、ハロゲン基、アミノ基、イミノ基、アミド基、シアノ基、シロキシ基、メルカプト基、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホニル基、又はこれらのうちの2以上の基を含む複合官能基である。さらに、化学式(II)中のAは、単結合、メチレン基、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、二官能性の芳香族炭化水素基、カルボニル基、又はエーテル基である。
A polyacene compound having a structure represented by the following chemical formula (I):
Figure 2010168305
Figure 2010168305
However, X in chemical formula (I) is a halogen group or a hydrogen atom, respectively, and m is an integer of 1-6. In addition, at least one of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 and R 8 in the chemical formula (I) is a silicon-containing group represented by the chemical formula (II). The balance is a hydrogen atom. Further, B 1 , B 2 and B 3 in the chemical formula (II) are respectively an aliphatic hydrocarbon group such as an alkyl group, an alkenyl group and an alkynyl group, an aromatic hydrocarbon group, an alkoxy group, an aryloxy group and an acyl group. , Ester group, alkyloxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, carboxyl group, formyl group, hydroxyl group, halogen group, amino group, imino group, amide group, cyano group, siloxy group, mercapto group, sulfide group, disulfide group, sulfonyl A group, or a composite functional group containing two or more of these groups. Further, A in the chemical formula (II) is a single bond, a methylene group, an alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, a bifunctional aromatic hydrocarbon group, a carbonyl group, or an ether group.
1 ,R4 ,R5 ,R8 が水素原子であり、R2 ,R3 ,R6 ,R7 の少なくとも一つが前記ケイ素含有基であることを特徴とする請求項1に記載のポリアセン化合物。 The polyacene according to claim 1, wherein R 1 , R 4 , R 5 and R 8 are hydrogen atoms, and at least one of R 2 , R 3 , R 6 and R 7 is the silicon-containing group. Compound. 1 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8 が水素原子であり、R2 ,R3 の少なくとも一つが前記ケイ素含有基であることを特徴とする請求項1に記載のポリアセン化合物。 The polyacene according to claim 1, wherein R 1 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are hydrogen atoms, and at least one of R 2 and R 3 is the silicon-containing group. Compound. 1 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8 が水素原子であり、R2 が前記ケイ素含有基であることを特徴とする請求項1に記載のポリアセン化合物。 2. The polyacene compound according to claim 1, wherein R 1 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , and R 8 are hydrogen atoms, and R 2 is the silicon-containing group. 1 ,B2 ,B3 のうち少なくとも一つがアルキル基であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のポリアセン化合物。 The polyacene compound according to any one of claims 1 to 4, wherein at least one of B 1 , B 2 , and B 3 is an alkyl group. mが2又は3であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のポリアセン化合物。   m is 2 or 3, The polyacene compound as described in any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned. mが1であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のポリアセン化合物。   m is 1, The polyacene compound as described in any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned. 請求項1〜7のいずれか一項に記載のポリアセン化合物を製造する方法であって、下記の化学式(III)で表されるような構造を有するポリアセンキノン誘導体のカルボニル基を還元するとともに芳香化して直接的に前記ポリアセン化合物に変換するか、又は、下記の化学式(III)で表されるような構造を有するポリアセンキノン誘導体を還元して、下記の化学式(IV)で表されるような構造を有するヒドロキシポリアセン誘導体とし、さらにこのヒドロキシポリアセン誘導体に対して芳香化、若しくは、ハロゲン化及び芳香化を行うことを特徴とするポリアセン化合物の製造方法。
Figure 2010168305
Figure 2010168305
Figure 2010168305
ただし、化学式(III)及び化学式(IV)中のXはそれぞれハロゲン基又は水素原子であり、kは1以上の整数であり、k+lは1以上6以下の整数である。また、化学式(III)及び化学式(IV)中のR1 ,R2 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8 のうち少なくとも一つは、化学式(V)で示されるケイ素含有基であり、残部は水素原子である。さらに、化学式(V)中のB1 ,B2 ,B3 はそれぞれ、アルキル基,アルケニル基,アルキニル基等の脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、エステル基、アルキルオキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、カルボキシル基、ホルミル基、水酸基、ハロゲン基、アミノ基、イミノ基、アミド基、シアノ基、シロキシ基、メルカプト基、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホニル基、又はこれらのうちの2以上の基を含む複合官能基である。さらに、化学式(V)中のAは、単結合、メチレン基、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、二官能性の芳香族炭化水素基、カルボニル基、又はエーテル基である。
A method for producing the polyacene compound according to any one of claims 1 to 7, wherein the carbonyl group of the polyacenequinone derivative having a structure represented by the following chemical formula (III) is reduced and aromatized. Directly converted into the polyacene compound, or a polyacene quinone derivative having a structure represented by the following chemical formula (III) is reduced to form a structure represented by the following chemical formula (IV): A method for producing a polyacene compound, characterized in that a hydroxypolyacene derivative having a hydrofluoric acid derivative and further aromatizing, halogenating or aromatizing the hydroxypolyacene derivative.
Figure 2010168305
Figure 2010168305
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However, X in Chemical Formula (III) and Chemical Formula (IV) is a halogen group or a hydrogen atom, k is an integer of 1 or more, and k + 1 is an integer of 1 or more and 6 or less. In addition, at least one of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 and R 8 in the chemical formula (III) and the chemical formula (IV) is represented by the chemical formula (V). It is a silicon-containing group, and the balance is a hydrogen atom. Further, B 1 , B 2 and B 3 in the chemical formula (V) are respectively an aliphatic hydrocarbon group such as an alkyl group, an alkenyl group and an alkynyl group, an aromatic hydrocarbon group, an alkoxy group, an aryloxy group and an acyl group. , Ester group, alkyloxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, carboxyl group, formyl group, hydroxyl group, halogen group, amino group, imino group, amide group, cyano group, siloxy group, mercapto group, sulfide group, disulfide group, sulfonyl A group, or a composite functional group containing two or more of these groups. Further, A in the chemical formula (V) is a single bond, a methylene group, an alkylene group, an alkenylene group, an alkynylene group, a bifunctional aromatic hydrocarbon group, a carbonyl group, or an ether group.
請求項1〜7のいずれか一項に記載のポリアセン化合物を含有することを特徴とする溶液。   A solution comprising the polyacene compound according to claim 1. 請求項1〜7のいずれか一項に記載のポリアセン化合物を含有することを特徴とするインク。   An ink comprising the polyacene compound according to any one of claims 1 to 7. 請求項1〜7のいずれか一項に記載のポリアセン化合物で構成され、結晶性を有することを特徴とする有機半導体薄膜。   An organic semiconductor thin film comprising the polyacene compound according to claim 1 and having crystallinity. 基板上に形成された結晶性の有機半導体薄膜であって、前記ポリアセン化合物の分子の長軸が前記基板の表面に対して垂直方向に配向していることを特徴とする請求項11に記載の有機半導体薄膜。   The crystalline organic semiconductor thin film formed on the substrate, wherein the major axis of the molecule of the polyacene compound is oriented in a direction perpendicular to the surface of the substrate. Organic semiconductor thin film. 請求項11又は請求項12に記載の有機半導体薄膜で少なくとも一部を構成したことを特徴とする有機半導体素子。   An organic semiconductor device comprising at least a part of the organic semiconductor thin film according to claim 11. ゲート電極,誘電体層,ソース電極,ドレイン電極,及び半導体層を備えるトランジスタにおいて、前記半導体層を請求項11又は請求項12に記載の有機半導体薄膜で構成したことを特徴とするトランジスタ。   13. A transistor comprising a gate electrode, a dielectric layer, a source electrode, a drain electrode, and a semiconductor layer, wherein the semiconductor layer comprises the organic semiconductor thin film according to claim 11 or 12.
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