JP2013159726A - 高分子化合物およびそれを用いた有機トランジスタ - Google Patents
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Abstract
Description
Ar1およびAr2は、それぞれ独立に、式(Ar−1)〜式(Ar−3)で表される基からなる群から選ばれる1種の基を表す。
A1は、2価の複素環基を表し、該2価の複素環基は、環を構成する原子として、sp2窒素原子および/またはカルボニル基を構成する炭素原子を含む。A1が複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
mは1〜4の整数を表す。〕
R1は、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基またはハロゲン原子を表し、それぞれの式に含まれる少なくともひとつのR1はアルコキシ基である。2個存在するR1は同一でも異なっていてもよい。
R2は、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基またはハロゲン原子を表す。R2が2個存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
Y1は、酸素原子、硫黄原子またはセレン原子を表す。Y1が2個存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。〕
A2は、2価の複素環基を表し、該2価の複素環基は、環を構成する原子として、sp2窒素原子および/またはカルボニル基を構成する炭素原子を含む。ただし、A2で表される2価の複素環基は、前記式(1)で表される構造単位を構成するA1で表される2価の複素環基とは異なる。〕
本実施形態の高分子化合物は、前記式(1)で表される構造単位と、前記式(2)で表される構造単位と、を含む高分子化合物であるが、式(1)で表される構造単位は、高分子化合物中に一種のみ含まれていても二種以上含まれていてもよい。
アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ヘキシル基、n−オクチル基、n−ドデシル基、n−オクタデシル基等の直鎖アルキル基、イソプロピル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、2−エチルヘキシル基、3,7−ジメチルオクチル基、3,7,11−トリメチルドデシル基、2−ヘキシルデシル基、2−オクチルドデシル基等の分岐アルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基が挙げられる。
アルキル基が有していてもよい置換基としては、アルコキシ基、アリール基、ハロゲン原子等が挙げられる。置換基を有しているアルキル基の具体例としては、メトキシエチル基、ベンジル基、トリフルオロメチル基、パーフルオロヘキシル基等が挙げられる。
アルコキシ基の具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、n−プロピルオキシ基、n−ブチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基、n−オクチルオキシ基、n−ドデシルオキシ基、n−オクタデシルオキシ基等の直鎖アルコキシ基、イソプロピルオキシ基、イソブチルオキシ基、sec−ブチルオキシ基、tert−ブチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、3,7−ジメチルオクチルオキシ基、3,7,11−トリメチルドデシルオキシ基、2−ヘキシルデシルオキシ基、2−オクチルドデシルオキシ基等の分岐アルキル基、シクロペンチルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基等のシクロアルキルオキシ基が挙げられる。
アルコキシ基が有していてもよい置換基としては、アリール基、ハロゲン原子等が挙げられる。
アルキルチオ基の具体例としては、n−ブチルチオ基、n−ヘキシルチオ基、2−エチルヘキシルチオ基、3,7−ジメチルオクチルチオ基、n−ドデシルチオ基等が挙げられる。
アルキルチオ基が有していてもよい置換基としては、アリール基、ハロゲン原子等が挙げられる。
アリール基の具体例としては、フェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、1−アントラセニル基、2−アントラセニル基、9−アントラセニル基、1−ピレニル基、2−ピレニル基、4−ピレニル基、2−フルオレニル基、3−フルオレニル基、4−フルオレニル基等が挙げられる。
アリール基が有していてもよい置換基としては、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子等が挙げられる。置換基を有しているアリール基としては、4−ヘキシルフェニル基、3,5−ジメトキシフェニル基、ペンタフルオロフェニル基等が挙げられる。アリール基が置換基を有する場合、置換基としてはアルキル基が好ましい。
1価の複素環基の具体例としては、2−フリル基、3−フリル基、2−チエニル基、3−チエニル基、2−ピロリル基、3−ピロリル基、2−オキサゾリル基、2−チアゾリル基、2−イミダゾリル基、2−ピリジル基、3−ピリジル基、4−ピリジル基、2−ベンゾフリル基、2−ベンゾチエニル基、2−チエノチエニル基等が挙げられる。
1価の複素環基が有していてもよい置換基としては、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子等が挙げられる。置換基を有している1価の複素環基としては、5−オクチル−2−チエニル基、5−(2−チエニル)−2−チエニル基、5−フェニル−2−フリル基等が挙げられる。1価の複素環基が置換基を有する場合、置換基としてはアルキル基が好ましい。
また、本実施形態の高分子化合物の合成の容易さの観点からは、前記式(Ar−1)〜式(Ar−3)にそれぞれ含まれる少なくともひとつのR1はアルコキシ基であり、もうひとつのR1は水素原子であることがより好ましい。
本実施形態の高分子化合物は、前記式(1)で表される構造単位と、前記式(2)で表される構造単位と、を含む高分子化合物であるが、式(2)で表される構造単位は、高分子化合物中に一種のみ含まれていても二種以上含まれていてもよい。
本実施形態の高分子化合物は、前記式(1)で表される構造単位および前記式(2)で表される構造単位以外の構造単位(以下、「他の構造単位」という場合がある。)を含んでいてもよい。他の構造単位は、高分子化合物中に一種のみ含まれていても二種以上含まれていてもよい。
アリーレン基の具体例としては、フェニレン基、ナフタレンジイル基、アントラセンジイル基、ピレンジイル基、フルオレンジイル基等が挙げられる。
アリーレン基が有していてもよい置換基としては、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子等が挙げられる。アリーレン基が置換基を有する場合、置換基としてはアルキル基が好ましい。
2価の複素環基の具体例としては、フランジイル基、チオフェンジイル基、ピロールジイル基、オキサゾールジイル基、チアゾールジイル基、イミダゾールジイル基、ピリジンジイル基、ピリダジンジイル基、ピラジンジイル基、チエノチオフェンジイル基、シクロペンタジチオフェンジイル基等が挙げられる。
2価の複素環基が有していてもよい置換基としては、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基、ハロゲン原子等が挙げられる。2価の複素環基が置換基を有する場合、置換基としてはアルキル基が好ましい。
本実施形態の高分子化合物は、高分子化合物を用いて製造される有機トランジスタのオンオフ比を高める観点からは、共役高分子化合物であることが好ましい。本明細書において「共役高分子化合物」とは、高分子化合物であって、その高分子化合物を構成する全ての構造単位が、その構造の一部または全体で共役している高分子化合物を意味する。
次に、本実施形態の高分子化合物の製造方法を説明する。
本実施形態の高分子化合物は、いかなる方法で製造してもよいが、例えば、式:X11−A11−X12で表される化合物と、式:X13−A12−X14で表される化合物とを、必要に応じて有機溶媒に溶解させ、必要に応じて塩基を加え、適切な触媒を用いた公知のアリールカップリング等の重合方法により合成することができる。
X11、X12、X13およびX14の好ましい組合せとしては、X11及びX12がホウ酸エステル残基でX13及びX14が臭素原子である組合せ、または、X11及びX12が臭素原子でX13及びX14がホウ酸エステル残基である組合せが挙げられる。
本実施形態の高分子化合物をSuzukiカップリング反応により重合する場合は、前記重合反応性基である、臭素原子、ヨウ素原子の合計モル数とホウ酸エステル残基の合計モル数との比率が0.7〜1.3とすることが好ましく、0.8〜1.2とすることがより好ましい。
X11、X12、X13およびX14の好ましい組合せとしては、X11及びX12が3つのアルキル基で置換されたスタンニル基でX13及びX14が臭素原子である組合せ、または、X11及びX12が臭素原子でX13及びX14が3つのアルキル基で置換されたスタンニル基である組合せが挙げられる。
本発明の高分子化合物をStilleカップリング反応により重合する場合は、前記重合反応性基である、臭素原子、ヨウ素原子の合計モル数と3つのアルキル基で置換されたスタンニル基の合計モル数との比率が0.7〜1.3とすることが好ましく、0.8〜1.2とすることがより好ましい。
有機半導体材料は、本実施形態の高分子化合物の1種類を単独で含むものであってもよく、2種類以上を含むものであってもよい。また、有機半導体材料は、本実施形態の高分子化合物に加え、低分子化合物または高分子化合物を更に含んでいてもよく、本実施形態の高分子化合物以外の化合物は、電界効果移動度を示すことが好ましい。有機半導体材料が、本実施形態の高分子化合物以外の成分を含む場合は、本実施形態の高分子化合物を30重量%以上含むことが好ましく、50重量%以上含むことがより好ましい。
アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、オキサジアゾール誘導体、フラーレン類およびその誘導体等の低分子化合物、
ポリ(N−ビニルカルバゾール)およびその誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体、ポリフルオレンおよびその誘導体等の高分子化合物が例示できる。
該高分子バインダーの例としては、ポリ(N−ビニルカルバゾール)、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリ(p−フェニレンビニレン)およびその誘導体、ポリ(2,5−チエニレンビニレン)およびその誘導体、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリシロキサン等が挙げられる。
本実施形態の高分子化合物は、電界効果移動度が高いことから、有機半導体材料として、例えば、有機半導体素子の有機層に含ませて用いることができる。有機半導体素子としては、有機トランジスタ、有機太陽電池、有機エレクトロルミネッセンス素子等が挙げられる。本実施形態の高分子化合物は、中でも、有機トランジスタの活性層材料として特に有用である。
本実施形態の有機トランジスタとしては、ソース電極およびドレイン電極と、これらの電極間の電流経路となり、本実施形態の高分子化合物を含む活性層と、該電流経路を通る電流量を制御するゲート電極とを備えた構成を有するものが挙げられる。このような構成を有する有機トランジスタとしては、電界効果型有機トランジスタ、静電誘導型有機トランジスタ等が挙げられる。
NMR測定は、化合物を重クロロホルムに溶解させ、NMR装置(Varian社製、INOVA300)を用いて行った。
高分子化合物の数平均分子量および重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC、Waters社製、商品名:Alliance GPC 2000)を用いて求めた。測定する高分子化合物は、オルトジクロロベンゼンに溶解させ、GPCに注入した。GPCの移動相にはオルトジクロロベンゼンを用いた。カラムは、TSKgel GMHHR−H(S)HT(2本連結、東ソー製)を用いた。検出器にはUV検出器を用いた。
1H−NMR(300MHz,CDCl3)δ(ppm) 7.16(m,1H),6.75(m,1H),6.22(m,1H),3.94(t,2H),1.77(m,2H),1.20−1.50(m,26H),0.88(t,3H).
1H−NMR(300MHz,CDCl3)δ(ppm) 7.19(m,1H),6.74(m,1H),4.04(t,2H),1.75(m,2H),1.20−1.50(m,26H),0.88(t,6H).
フラスコ内の気体を窒素ガスで置換したフラスコに、上記で得られた化合物1を含む混合物の全量、4,4’−ジブロモ−2,2’−ビチアゾールを0.403g(1.24mmol)、トルエンを50mL、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを0.0515g、トリオルトトリルホスフィンを0.103g入れて、8時間還流させた。その後、反応液を水に注ぎ、トルエンで抽出した。、トルエン溶液を濃縮し、得られた固体をシリカゲルカラムクロマトグラフィー精製し、化合物2を得た。得量は0.55gであり、収率は55%であった。化合物2の1H−NMR分析の結果を以下に示す。
1H−NMR(300MHz,CDCl3)δ(ppm)7.98(s,2H),7.17(d,2H),6.87(d,2H),4.15(t,4H),1.20−1.90(m,56H),0.88(t,6H).
1H−NMR(300MHz,CDCl3)δ(ppm)=7.97(s,2H),6.86(s,2H),4.16(t,4H),1.87(m,4H),1.00−1.60(m,52H),0.88(t,6H).
高分子化合物4を含む溶液を用いて、図9に示す構造を有する有機トランジスタ1を作製した。
ゲート電極となる高濃度にドーピングされたn−型シリコン基板の表面を熱酸化し、シリコン酸化膜(以下、「熱酸化膜」という。)を形成した。熱酸化膜は絶縁層として機能する。次に、フォトリソグラフィー工程により熱酸化膜上にソース電極およびドレイン電極を作製した。該ソース電極および該ドレイン電極は、熱酸化膜側からクロム(Cr)層と金(Au)層とを有し、チャネル長が20μm、チャネル幅が2mmであった。こうして得られた熱酸化膜、ソース電極およびドレイン電極を形成した基板をアセトンで超音波洗浄を行ない、オゾンUVクリーナーでUVオゾン処理を行なった。その後、β−フェネチルトリクロロシランで熱酸化膜の表面を修飾し、ペンタフルオロベンゼンチオールでソース電極およびドレイン電極の表面を修飾した。次に、上記表面処理した熱酸化膜、ソース電極およびドレイン電極上に、0.5重量%の高分子化合物4のオルトジクロロベンゼン溶液を1000rpmの回転速度でスピンコートし、有機半導体層(活性層)を形成した。その後、有機半導体層を大気中で170℃で30分間加熱し、有機トランジスタ1を製造した。
1H−NMR(300MHz,CDCl3)δ(ppm)=7.07(d,2H),6.83(d,2H),4.09(t,4H),1.85(m,4H),1.00−1.70(m,52H),0.88(t,6H).
1H−NMR(300MHz,CDCl3)δ(ppm)=6.83(s,2H),4.10(t,4H),1.83(m,4H),0.85−1.70(m,112H).
フラスコ内の気体を窒素ガスで置換したフラスコに、5,5’−ビス(トリブチルスタンニル)−3,3’−ジヘキサデシルオキシ−2,2’−ビチオフェンを0.300g(0.245mmol)、4,7−ジブロモベンゾ−2,1,3−チアジアゾールを0.0684g(0.233mmol)、トルエンを50mL、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムを3.4mg、トリオルトトリルホスフィンを6.7mg入れて、5時間還流させた。その後、反応液に、ブロモベンゼンを384mg加えた後に、1時間還流させた。その後、反応液をアセトンに滴下したところ、析出物が生じた。析出物をろ取し、該析出物に、トルエンと水とN,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物を加えて、3時間還流させた。その後、トルエン層を抽出した。トルエン溶液を酢酸水溶液および水で洗浄した後、シリカゲルカラムを通液させて精製した。得られたトルエン溶液をアセトンに滴下したところ、析出物が生じた。析出物をろ取し、該析出物をアセトンを溶媒として用いてソックスレー洗浄し、高分子化合物5を得た。得量は0.170gであり、ポリスチレン換算の数平均分子量は8.2×103であり、ポリスチレン換算の重量平均分子量は1.8×104であった。
高分子化合物4にかえて高分子化合物5を用いた以外は、実施例2と同様にして、有機トランジスタ2を作製した。
2、2a…活性層。
3…絶縁層。
4…ゲート電極。
5…ソース電極。
6…ドレイン電極。
100、110、120、130、140、150、160、170、180…有機トランジスタ。
Claims (10)
- 式(1)で表される構造単位と、式(2)で表される構造単位と、を含む高分子化合物。
Ar1およびAr2は、それぞれ独立に、式(Ar−1)〜式(Ar−3)で表される基からなる群から選ばれる1種の基を表す。
A1は、2価の複素環基を表し、該2価の複素環基は、環を構成する原子として、sp2窒素原子および/またはカルボニル基を構成する炭素原子を含む。A1が複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
mは1〜4の整数を表す。〕
R1は、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基またはハロゲン原子を表し、それぞれの式に含まれる少なくともひとつのR1はアルコキシ基である。2個存在するR1は同一でも異なっていてもよい。
R2は、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アリール基、1価の複素環基またはハロゲン原子を表す。R2が2個存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
Y1は、酸素原子、硫黄原子またはセレン原子を表す。Y1が2個混在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。〕
A2は、2価の複素環基を表し、該2価の複素環基は、環を構成する原子として、sp2窒素原子および/またはカルボニル基を構成する炭素原子を含む。ただし、A2で表される2価の複素環基は、前記式(1)で表される構造単位を構成するA1で表される2価の複素環基とは異なる。〕 - 前記Y1が硫黄原子である、請求項1に記載の高分子化合物。
- 前記式(2)で表される構造単位におけるA2が、前記式(A−1)〜式(A−13)で表される基からなる群から選ばれる1種の基である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の高分子化合物。
- 前記式(2)で表される構造単位におけるA2が、前記式(A−5)で表される基である、請求項5に記載の高分子化合物。
- 式(1)で表される構造単位が前記式(1−A)で表される構造単位であり、かつ、前期式(2)で表される構造単位におけるA2が前記式(A−5)で表される基である、請求項4〜6のいずれか一項に記載の高分子化合物。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の高分子化合物を含む、有機半導体材料。
- 請求項8に記載の有機半導体材料を含む有機層を有する、有機半導体素子。
- ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極および活性層を有し、該活性層に請求項8に記載の有機半導体材料を含む、有機トランジスタ。
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