JP2013523931A - 縮合環系ジチオフェンコポリマー - Google Patents
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Abstract
Description
式中、
v及びwは、それぞれ、4〜1000、特に4〜200、とりわけ5〜100であり、v:wの質量比は好ましくは1:20〜20:1であり;
Aは、式II又はIII
COMは、式
G1、G2、G3、G4及びG5は、同一又は異なってもよく、水素、F等のハロゲン、C1〜C25アルキル、Oで及び/若しくはSで中断されたC2〜C25アルキル、C1〜C25アルコキシ、C3〜C12シクロアルキル、C2〜C25アルケニル、C2〜C25アルキニル、C4〜C25アリール、C5〜C25アルキルアリール又はC5〜C25アラルキルから選択され、そのそれぞれは非置換であるか又は1つ以上のハロゲン、ヒドロキシ、ニトロ、−CN又はC6〜C18アリールで置換されており、2個以上の炭素原子を有する任意のアルキルは、−O−、−COO−、−OCO−、−S−で中断されていてもよく;
R1及びR2は、同一又は異なっていてもよく、水素、C1〜C100アルキル基、−COOR103、C1〜C100アルキル基(これは1つ以上のハロゲン原子、ヒドロキシル基、ニトロ基、−CN若しくはC6〜C18アリール基で置換されている及び/又は−O−、−COO−、−OCO−若しくは−S−で中断されている)、C7〜C100アリールアルキル基、カルバモイル基、C5〜C12シクロアルキル基(これはC1〜C8アルキル及び/又はC1〜C8アルコキシで1〜3回置換されうる)、C6〜C24アリール基、特にフェニル又は1−若しくは2ナフチル(これはC1〜C8アルキル、C1〜C8チオアルコキシ及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回置換されうる)又はペンタフルオロフェニルから選択され;
R103は、C1〜C50アルキル、特にC4〜C25アルキルであり;
X3及びX4の一方はNであり、他方はCR99であり、
R99、R104及びR104’は、互いに独立して、水素、ハロゲン、特にF又はC1〜C25アルキル基、特にC4〜C25アルキル(これは、1個以上の酸素又は硫黄原子で場合により中断されていてもよい)、C7〜C25アリールアルキル又はC1〜C25アルコキシ基であり、
R105及びR105’は、互いに独立して、水素、ハロゲン、C1〜C25アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい);C7〜C25アリールアルキル又はC1〜C18アルコキシであり、
R107は、H;C6〜C18アリール;C1〜C18アルキル若しくはC1〜C18アルコキシで置換されているC6〜C18アリール;C1〜C18アルキル;又は−O−で中断されているC2〜C18アルキルであり、
並びに、前記半導体材料を基板上の薄膜として含む複合材料、対応する半導体デバイス、特にフォトダイオード、有機電界効果トランジスター、とりわけ有機光起電(PV)デバイス(太陽電池)に関し;
或いはCOMは、式
式中、
pは、0、1、2又は3であり;
R3及びR3’は、互いに独立して、水素、ハロゲン、C1〜C25アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい)、C7〜C25アリールアルキル又はC1〜C25アルコキシであり;
R4及びR4’は、互いに独立して、水素、ハロゲン、C1〜C25アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい);C7〜C25アリールアルキル又はC1〜C25アルコキシであり;
X1及びX2は、互いに独立して、−O−、−S−、−NR8−、−Si(R11)(R11’)−、−C(R7)(R7’)−、−C(=O)−、
X5は、−O−又は−NR8−であり;
R5及びR5’は、互いに独立して、水素、ハロゲン、1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよいC1〜C25アルキル;C1〜C8アルキル及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回場合により置換されていてもよいC6〜C24アリール;C7〜C25アリールアルキル、CN又はC1〜C25アルコキシであるか;或いは
R5及びR5’は、一緒になって環を形成し、
R6は、H、C1〜C18アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい)、C1〜C18ペルフルオロアルキル、C6〜C24アリール(これはC1〜C8アルキル及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回場合により置換されていてもよい);C2〜C20ヘテロアリール(これはC1〜C8アルキル及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回場合により置換されていてもよい);又はCNであり、
R7及びR7’は、互いに独立して、水素、C1〜C35アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい);又はC7〜C25アリールアルキルであり、
R8及びR8’は、互いに独立して、水素、C6〜C18アリール;C1〜C18アルキル若しくはC1〜C18アルコキシで置換されているC6〜C18アリール;又は1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよいC1〜C25アルキル、特にC4〜C25アルキル;又はC7〜C25アリールアルキルであり、
R11及びR11’は、互いに独立して、C1〜C35アルキル基、C7〜C25アリールアルキル又はフェニル基であり、これはC1〜C8アルキル及び/又はC1〜C8アルコキシで1〜3回場合により置換されうる。
R1及び2は、同一又は異なっていてもよく、C1〜C100アルキル、C5〜C12シクロアルキル(これはC1〜C8アルキル及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回置換されうる)、フェニル又は1−若しくは2−ナフチル(これはC1〜C8アルキル及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回置換されうる)又は−CR101R102−(CH2)u−A3から選択され、ここでR101及びR102は、水素又はC1〜C4アルキルを表し、A3は、フェニル又は1−若しくは2−ナフチル(そのそれぞれはC1〜C8アルキル及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回置換されうる)を表し、uは、0、1、2又は3を表す。式Iのコポリマーも好ましく、ここで、
R103は、C1〜C25アルキルであり;
X3及びX4の一方はNであり、他方はCR99であり、
R99、R104及びR104’は、互いに独立して、水素、F又はC1〜C25アルキル基、特にC4〜C25アルキル(これは、1個以上の酸素又は硫黄原子で場合により中断されていてもよい)、C7〜C25フェニルアルキル又はC1〜C12アルコキシであり、
R105及びR105’は、互いに独立して、水素、フルオロ、C1〜C25アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい);C7〜C25フェニルアルキル又はC1〜C18アルコキシであり、
R107は、H;C1〜C18アルキル若しくはC1〜C18アルコキシで場合により置換されているフェニル若しくはナフチル;C1〜C18アルキル;又は−O−で中断されているC2〜C18アルキルであり;
特にG1、G2、G3、G4及びG5は、独立して、水素、フルオロ、C1〜C25アルキルから選択され、特に水素であり;
R1及びR2は、C1〜C35アルキル、特にC8〜C35アルキル基であり、
各R104及びR104’は、独立して、H、C1〜C25アルキルから選択される。
R9は、C1〜C25アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい)、C1〜C25ペルフルオロアルキル、C1〜C25アルコキシ又はCNである]の反復単位である。式Xd、Xe、Xf、Xg、Xh及びXkの基が好ましく、式Xd、Xe、Xh及びXkの基が最も好ましい。
モノマーは当該技術に既知の方法により得られる。
式X10−A−X10の二ハロゲン化物を、式
式
溶媒中及び触媒の存在下で反応させることを含み
式中、X10は、ハロゲン、特にBrであり、
X11は、それぞれの場合に独立して、−B(OH)2、−B(OY1)2、
Y13及びY14は、互いに独立して、水素又はC1〜C10アルキル基である
方法を含む。
式
式中、A及び−COM1−及びX10は、上記に定義されたとおりであり、
X11’は、それぞれの場合に独立して、−SnR207R208R209であり、ここでR207、R208及びR209は、同一又は異なって、H又はC1〜C6アルキルであるか、或いはR207、R208及びR209のうちの2つは環を形成し、これらの基は場合により分岐されている、方法が含まれる。
NBS N−ブロモスクシンイミド
LDA リチウムジイソプロピルアミド
THF テトラヒドロフラン
TBME tert−ブチルメチルエーテル
AIBN 2,2’−アゾビスイソブチロニトリル
Mn 分子量(数平均)
Mw 分子量(質量平均)
PDI 多分散性
一連のポリマーによる電界効果トランジスターは、標準的な設定により組み立てられ、二酸化ケイ素誘電体で高度にドープされたケイ素ウエハは、界面のヒドロキシ基を保護するためにHMDSで処理される。ポリマーをジクロロベンゼン中の5mg/ml溶液でスピン流延し、30〜50nm厚の膜を形成する。トップコンタクト型金電極をガス相から堆積させる。測定を黄色灯での窒素雰囲気下で実施する。このように決定された電荷担体移動度及びオンオフ比を下記の表2にまとめる。
一連のポリマーの嵩高形態についての更なる情報については、材料を繊維として押し出す。X線ビームの二次元回折は、π積み重ね距離及び充填様式の両方を明らかにする。表2にまとめたように、π積み重ね距離はポリマーにおける曲率の程度に基本的に影響を受けない。全ての場合、0.37〜0.38nmの値が見出される。この値は、最高の電荷担体移動度を有するポリマーとほぼ同じである。
太陽電池は以下の構造を有する:Al電極/LiF層/本発明の化合物を含む有機層/[ポリ(3,4−エチレンジオキシ−チオフェン)(PEDOT):ポリ(スチレンスルホン酸)(PSS)]/ITO電極/ガラス基板。太陽電池を、ガラス基板上に予めパターン形成したITOにPEDOT:PSSの層をスピン塗布し作製する。次に、化合物P4又はP5(1質量%):[60]PCBM又は[70]PCBM(置換C60又はC70フラーレン)の1:1混合物をスピン塗布する(有機層)。LiF及びAlを、シャドーマスクを介して高真空下で昇華させる。
太陽電池の特徴は、AM1.5条件下、太陽光線シミュレーターによって測定される。また電流は、外部量子効率(EQE)測定から計算される。
以下の構造の太陽電池を製造する:Al電極/LiF層/本発明の化合物を含む有機層/[ポリ(3,4−エチレンジオキシ−チオフェン)(PEDOT):ポリ(スチレンスルホン酸)(PSS)]/ITO電極/ガラス基板。太陽電池は、ガラス基板上に予めパターン形成したITOにPEDOT:PSSの層をスピン塗布することにより作製する。次に、ポリマー16(1質量%):[60]PCBM又は[70]PCBM(置換C60又はC70フラーレン)の1:1.5混合物をスピン塗布する(有機層)。LiF及びAlを、シャドーマスクを介して高真空下で昇華させる。
Claims (15)
- 反復構造単位:
−[A]−及び−[COM]−
を、好ましくは1:20〜20:1の[A]:[COM]質量比で含有するポリマー(I)を含み、
ここで、
Aが、式II又はIII:
のベンゾジチオフェン反復単位であり、
COMが、式
及びこれらの組み合わせの反復単位から選択される
有機半導体材料、層又は部品
[式中、
G1、G2、G3、G4及びG5は、同一又は異なってもよく、水素、F等のハロゲン、C1〜C25アルキル、Oで及び/若しくはSで中断されたC2〜C25アルキル、C1〜C25アルコキシ、C3〜C12シクロアルキル、C2〜C25アルケニル、C2〜C25アルキニル、C4〜C25アリール、C5〜C25アルキルアリール又はC5〜C25アラルキルから選択され、そのそれぞれは非置換である又は1つ以上のハロゲン、ヒドロキシ、ニトロ、−CN又はC6〜C18アリールで置換されており、2個以上の炭素原子を有する任意のアルキルは、−O−、−COO−、−OCO−、−S−で中断されていてもよく;
R1及びR2は、同一又は異なっていてもよく、水素、C1〜C100アルキル基、−COOR103、C1〜C100アルキル基(これは1つ以上のハロゲン原子、ヒドロキシル基、ニトロ基、−CN若しくはC6〜C18アリール基で置換されている及び/又は−O−、−COO−、−OCO−若しくは−S−で中断されている);C7〜C100アリールアルキル基、カルバモイル基、C5〜C12シクロアルキル基(これはC1〜C8アルキル及び/又はC1〜C8アルコキシで1〜3回置換されうる)、C6〜C24アリール基、特にフェニル又は1−若しくは2−ナフチル(これはC1〜C8アルキル、C1〜C8チオアルコキシ及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回置換されうる)又はペンタフルオロフェニルから選択され;
pは、0、1、2又は3であり;
R3及びR3’は、互いに独立して、水素、ハロゲン、C1〜C25アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい)、C7〜C25アリールアルキル又はC1〜C25アルコキシであり;
R4及びR4’は、互いに独立して、水素、ハロゲン、C1〜C25アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい)、C7〜C25アリールアルキル又はC1〜C25アルコキシであり;
X1及びX2は、互いに独立して、−O−、−S−、−NR8−、−Si(R11)(R11’)−、−C(R7)(R7’)−、−C(=O)−、
であり、
X3及びX4の一方はNであり、他方はCR99であり;
X5は、−O−又は−NR8−であり;
R5及びR5’は、互いに独立して、水素、ハロゲン、1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよいC1〜C25アルキル;C1〜C8アルキル及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回場合により置換されていてもよいC6〜C24アリール;C7〜C25アリールアルキル、CN又はC1〜C25アルコキシであるか;或いは
R5及びR5’は、一緒になって環を形成し、
R6は、H、C1〜C18アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい)、C1〜C18ペルフルオロアルキル、C6〜C24アリール(これはC1〜C8アルキル及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回場合により置換されていてもよい);C2〜C20ヘテロアリール(これはC1〜C8アルキル及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回場合により置換されていてもよい);又はCNであり、
R7及びR7’は、互いに独立して、水素、C1〜C35アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい);又はC7〜C25アリールアルキルであり、
R8及びR8’は、互いに独立して、水素、C6〜C18アリール;C1〜C18アルキル若しくはC1〜C18アルコキシで置換されているC6〜C18アリール;又は1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよいC1〜C25アルキル、特にC4〜C25アルキル;又はC7〜C25アリールアルキルであり、
R11及びR11’は、互いに独立して、C1〜C35アルキル基、C7〜C25アリールアルキル又はフェニル基(これはC1〜C8アルキル及び/又はC1〜C8アルコキシで1〜3回場合により置換されうる)であり;
R103は、C1〜C50アルキル、特にC4〜C25アルキルであり;
R99、R104及びR104’は、互いに独立して、水素、ハロゲン、特にF又はC1〜C25アルキル基、特にC4〜C25アルキル(これは、1個以上の酸素又は硫黄原子で場合により中断されていてもよい)、C7〜C25アリールアルキル又はC1〜C25アルコキシ基であり、
R105及びR105’は、互いに独立して、水素、ハロゲン、C1〜C25アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい)、C7〜C25アリールアルキル又はC1〜C18アルコキシであり、
R107は、H;C6〜C18アリール;C1〜C18アルキル若しくはC1〜C18アルコキシで置換されているC6〜C18アリール;C1〜C18アルキル;又は−O−で中断されているC1〜C18アルキルである]。 - コポリマー(I)を含む薄膜半導体が基板に堆積される、基板を含む複合材料の形態の請求項1記載の有機半導体材料。
- 請求項1に定義されたコポリマー(I)を含む半導体デバイス。
- 有機光起電デバイス(太陽電池)、ダイオード、フォトダイオード、有機電界効果トランジスターである、請求項3記載の半導体デバイス。
- コポリマー(I)において、
G1、G2、G3、G4及びG5が、互いに独立して、水素、フルオロ、C1〜C25アルキル、Oで及び/若しくはSで中断されたC2〜C25アルキル、C1〜25アルコキシ、C3〜C12シクロアルキル、C2〜C25アルケニル、C2〜C25アルキニル、フェニル、ナフチル、C1〜C12アルキルフェニル、フェニル−C1〜C12アルキルから選択され、そのそれぞれは非置換であるか又は1つ以上のフルオロ、−CN、フェニル、ナフチルで置換されており;
R1及び2が、同一又は異なっていてもよく、C1〜C100アルキル、C5〜C12シクロアルキル(これはC1〜C8アルキル及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回置換されうる)、フェニル又は1−若しくは2−ナフチル(これはC1〜C8アルキル及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回置換されうる)又は−CR101R102−(CH2)u−A3から選択され、ここでR101及びR102が、水素又はC1〜C4アルキルを表し、A3が、フェニル又は1−若しくは2−ナフチル(そのそれぞれはC1〜C8アルキル及び/若しくはC1〜C8アルコキシで1〜3回置換されうる)を表し、uが、0、1、2又は3を表し;
R103が、C1〜C25アルキルであり;
X3及びX4の一方がNであり、他方がCR99であり、
R99、R104及びR104’が、互いに独立して、水素、F又はC1〜C25アルキル基、特にC4〜C25アルキル(これは、1個以上の酸素又は硫黄原子で場合により中断されていてもよい)、C7〜C25フェニルアルキル、C1〜C25アルコキシであり、
R105及びR105’が、互いに独立して、水素、フルオロ、C1〜C25アルキル(これは1個以上の酸素若しくは硫黄原子で場合により中断されていてもよい);C7〜C25フェニルアルキル又はC1〜C18アルコキシであり、
R107が、H;C1〜C18アルキル若しくはC1〜C18アルコキシで場合により置換されているフェニル若しくはナフチル;C1〜C18アルキル;又は−O−で中断されているC2〜C18アルキルである、
請求項1〜4のいずれか1項記載の材料又はデバイス。 - コポリマー(I)において、
G1、G2、G3、G4及びG5が、独立して、水素、フルオロ、C1〜C25アルキルから選択され、特に水素であり;
R1及びR2が、C1〜C35アルキル、特にC8〜C35アルキル基であり、
各R104及びR104’が、独立して、H、C1〜C25アルキルから選択される
請求項1〜7のいずれか1項記載の材料又はデバイス。 - コポリマー(I)が、質量平均Mwとして示される、5000〜約200000、特に約10000〜約120000の分子量範囲である、請求項1〜9のいずれか1項記載の材料又はデバイス。
- 請求項1〜10のいずれか1項に定義されたコポリマー(I)。
- 液体媒質に溶解又は分散された請求項1〜10のいずれか1項に定義された1つ以上のコポリマー(I)を含む組成物。
- 有機発光ダイオード、太陽電池のような光起電部品、センサー、電池の半導体部品における半導体若しくは電荷輸送材料若しくは薄膜トランジスターとしての又は有機電界効果トランジスター若しくは光導波路としての若しくは電子写真用途における、請求項1〜10のいずれか1項に定義されたコポリマー(I)の使用。
- 請求項2〜4のいずれか1項に記載の複合材料又はデバイスの製造方法であって、請求項1又は5〜10のいずれか1項に定義されたコポリマー(I)を液体媒質に溶解し、溶液を形成すること、溶液を(特に、スピン塗布、ドロップキャスティング、ディップ塗布、印刷により)基板に堆積させること、溶媒を除去し、薄膜半導体を基板上に形成することを含む前記方法。
- 下記式:
[式中、−COM1−はCOMで定義されたとおりであり、A及び−COM−は請求項1〜10のいずれか1項に定義されたとおりである]のポリマーの製造方法であって、
式X10−A−X10の二ハロゲン化物を、式
に対応する実質的に等モル量のジボロン酸若しくはジボロネートと反応させる又は
下記式:
の二ハロゲン化物を、式:X11−A−X11に対応する実質的に等モル量のジボロン酸若しくはジボロネートと
溶媒中及び触媒の存在下で反応させることを含み、
式中、X10が、ハロゲン、特にBrであり、
X11が、それぞれの場合に独立して、−B(OH)2、−B(OY1)2、
であり、ここでY1が、それぞれの場合に独立して、C1〜C10アルキル基であり、Y2が、それぞれの場合に独立して、C2〜C10アルキレン基であり、
Y13及びY14が、互いに独立して、水素又はC1〜C10アルキル基であり;或いは
式X10−A−X10の二ハロゲン化物を、式
に対応する等モル量の有機スズ化合物と反応させる又は
式
の二ハロゲン化物を、式X11’−A−X11’に対応する等モル量の有機スズ化合物と反応させることを含み、式中、
X11’が、それぞれの場合に独立して、−SnR207R208R209であり、ここでR207、R208及びR209が、同一又は異なって、H又はC1〜C6アルキルである、或いは基R207、R208及びR209のうちの2つが環を形成し、これらの基が場合により分岐されている、前記方法。
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