JP2017520618A - グラフェンナノリボンの製造のためのオルト−テルフェニル - Google Patents

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Abstract

本発明は、一般式(I);【化1】(式中、R1、R2、R3およびR4は、独立に、H;CN;NO2;および飽和、不飽和または芳香族C1〜C40炭化水素残基からなる群から選択され、前記C1〜C40炭化水素残基は、F、Cl、OH、NH2、CNおよび/またはNO2で1から5回置換されていてもよく、1個または複数個の−CH2−基は、−O−、−NH−、−S−、−C(=O)O−、−OC(=O)−および/または−C(=O)−で置き換えられていてもよく;XおよびYは、同じであるまたは異なり、F、Cl、Br、I、およびOTf(トリフルオロメタンスルホネート)からなる群から選択される)のオルト−テルフェニル;およびグラフェンナノリボンの製造のためのそれらを使用する方法ならびに前記オルト−テルフェニルからグラフェンナノリボンを製造するための方法に関する。

Description

本発明は、オルト−テルフェニル、およびグラフェンナノリボンの製造のためのそれらを使用する方法、ならびに前記オルト−テルフェニルからグラフェンナノリボンを製造するための方法に関する。
グラフェンは二次元炭素層からなり、いくつかの際立った特性を有する。これはダイヤモンドより硬く、極めて裂けにくく、ガスを通さないだけでなく、優れた電気および熱伝導体でもある。これらの際立った特性のために、グラフェンは、物理学、材料科学および化学において多大な関心を受けている。グラフェンに基づくトランジスタは、現在使用されているシリコン部品のための潜在的な後継機であると考えられている。しかしながら、グラフェンは半金属であるので、シリコンとは対照的に、電子的バンドギャップを欠き、したがって電子用途に不可欠なスイッチング能力がない。
グラフェンナノリボン(しばしばGNRと省略される)は、グラフェン格子から誘導される超薄幅のグラフェンの細長片である。これは新規のグラフェンベースの電子装置のための有望な構成単位である。導電性ジグザグエッジグラフェンナノリボン(ZGNR)と、主に半導体性のアームチェアエッジグラフェンナノリボン(AGNR)との間の最も重要な相違を越えて、GNRの幾可学的形状のより一般的な変形形態は、一次元(1D)量子閉じ込めを通じたギャップチューニングを可能にする。一般に、リボン幅が大きくなると、AGNRで最大となる重ね合わさった振動特徴によって、バンドギャップの全体的な低下がもたらされる。
グラフェン格子のリソグラフィーによるパターン形成およびカーボンナノチューブのアンジッピング(例えばUS2010/0047154およびUS2011/0097258に記載されている)などの、GNRの製造のための標準的な「トップダウン」法は、異なるGNRの混合物が得られるだけである。さらに、幅が10nm未満のナノリボンの割合は、かなり低いかゼロでさえある。しかしながら、高効率の電子装置のためには、グラフェンナノリボンの幅は、正確に制御される必要があり、好ましくは10nm未満であり、理想的なエッジ形状からわずかに逸脱しただけで電子特性が深刻に低下するので、それらのエッジはスムーズである必要がある。
このような「トップダウン」法の固有の限界のため、構造的に明確に定義されたGNRの実現は依然として難しい。溶液媒介脱水素環化反応(例えばJ. Wu、L. Gherghel、D. Watson、J. Li、Z. Wang、C.D. Simpson、U. Kolb、K. Mullen、Macromolecules 2003、36、7082〜7089;L. Dossel、L. Gherghel、X. Feng、K. Mullen、Angew. Chem. Int. Ed. 2011、50、2540〜2543;Y. Fogel、L. Zhi、A. Rouhanipour、D. Andrienko、H.J. Rader、K. Mullen、Macromolecules 2009、42、6878〜6884;およびA. Naritaら、Nature Chemistry 2014、6、126〜132)および表面補助(surface−assisted)脱水素環化反応(例えばJ. Caiら、Nature 2010、470〜473;S. Blankenburgら、ACS Nano 2012、6、2020;S. Lindenら、Phys. Rev. Lett. 2012、108、216801)による「ボトムアップ」化学合成手法は、近年、GNRを合成するための有望なルートとして登場している。
「トップダウン」法とは対照的に、溶液媒介または表面補助脱水素環化反応に基づく「ボトムアップ」化学合成手法は、特注の三次元ポリフェニレン前駆体を反応させることによって、明確に定義されていて均質なGNRを作製する機会を与える。これらのポリフェニレン系ポリマー前駆体は、現代の合成化学の能力の範囲内でその構造を合わせることができる小分子から構築される。
しかしながら、これら全ての「ボトムアップ」手法は、これまで、微量のグラフェンナノリボンの製造しか可能にしていない。さらに、得られたグラフェンナノリボンは、それらの主鎖中に統計的に配置された「キンク(kink)」のため、しばしば明確に定義されず、または低い分子量しかもたない。
US2010/0047154 US2011/0097258
J. Wu、L. Gherghel、D. Watson、J. Li、Z. Wang、C.D. Simpson、U. Kolb、K. Mullen、Macromolecules 2003、36、7082〜7089 L. Dossel、L. Gherghel、X. Feng、K. Mullen、Angew. Chem. Int. Ed. 2011、50、2540〜2543 Y. Fogel、L. Zhi、A. Rouhanipour、D. Andrienko、H.J. Rader、K. Mullen、Macromolecules 2009、42、6878〜6884 A. Naritaら、Nature Chemistry 2014、6、126〜132 J. Caiら、Nature 2010、470〜473 S. Blankenburgら、ACS Nano 2012、6、2020 S. Lindenら、Phys. Rev. Lett. 2012、108、216801
したがって、グラフェンナノリボンを製造するための新しい方法を提供することが本発明の目的である。グラフェンナノリボンの製造のための適当なオリゴフェニレンモノマーおよび適当なポリマー前駆体を提供することが本発明のさらなる目的である。
問題は、一般式(I);
Figure 2017520618
(式中、
、R、RおよびRは、独立に、H;CN;NO;および飽和、不飽和または芳香族C〜C40炭化水素残基からなる群から選択され、前記C〜C40炭化水素残基は、F、Cl、OH、NH、CNおよび/またはNOで1から5回置換されていてもよく、1個または複数個の−CH−基は、−O−、−NH−、−S−、−C(=O)O−、−OC(=O)−および/または−C(=O)−で置き換えられていてもよく;
XおよびYは、同じであるまたは異なり、F、Cl、Br、I、OTf(トリフルオロメタンスルホネート)からなる群から選択される)
のオルト−テルフェニルによって解決される。
好ましくは、R、R、RおよびRは、独立に、H、非置換のC〜C40アルキル残基、および非置換のC〜C40アルコキシ残基からなる群から選択される。
より好ましくは、RおよびRは、独立に、H、非置換のC〜C20アルキル残基、および非置換のC〜C20アルコキシ残基からなる群から選択され;RおよびRは、Hである。本出願の一実施形態では、RおよびRは、Hである。
本発明において、表現「C〜C40炭化水素残基」には、炭素および水素原子からなる全ての種類の残基が含まれる。例は、直鎖状または分枝状C〜C40アルキル、直鎖状または分枝状C〜C40アルケニル、直鎖状または分枝状C〜C40アルキニル、およびC〜C40アリールである。
〜C40アルキル残基は、可能な場合、直鎖状または分枝状であってよい。例は、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、sec.−ブチル、イソブチル、tert.−ブチル、n−ペンチル、2−ペンチル、3−ペンチル、2,2−ジメチルプロピル、1,1,3,3−テトラメチルペンチル、n−ヘキシル、1−メチルヘキシル、1,1,3,3,5,5−ヘキサメチルヘキシル、n−ヘプチル、イソヘプチル、1,1,3,3−テトラメチルブチル、1−メチルヘプチル、3−メチルヘプチル、n−オクチル、1,1,3,3−テトラメチルブチルおよび2−エチルヘキシル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、ペンタデシル、ヘキサデシル、ヘプタデシル、オクタデシル、ノナデシル、エイコサニル、ヘンエイコサニル、ドコサニル、トリコサニル、テトラコサニル、ペンタコサニル、ヘキサコサニル、ヘプタコサニル、オクタコサニル、ノナコサニル、トリアコンタニル、ヘントリアコンタニル、ドトリアコンタニル、トリトリアコンタニル、テトラトリアコンタニル、ペンタトリアコンタニル、ヘキサトリアコンタニル、ヘプタトリアコンタニル、オクタトリアコンタニル、ノナトリアコンタニル、およびテトラコンタニルである。
〜C40アルケニル残基は、直鎖または分枝状アルケニル残基、例えばビニル、アリル、メタリル、イソプロペニル、2−ブテニル、3−ブテニル、イソブテニル、n−ペンタ−2,4−ジエニル、3−メチル−ブタ−2−エニル、n−オクタ−2−エニル、n−ドデカ−2−エニル、イソドデセニル、n−ドデカ−2−エニルおよびn−オクタデカ−4−エニルである。
〜C40アルキニル残基は、直鎖または分枝状である。例は、エチニル、1−プロピン−3−イル、1−ブチン−4−イル、1−ペンチン−5−イル、2−メチル−3−ブチン−2−イル、1,4−ペンタジイン−3−イル、1,3−ペンタジイン−5−イル、1−ヘキシン−6−イル、cis−3−メチル−2−ペンテン−4−イン−1−イル、trans−3−メチル−2−ペンテン−4−イン−1−イル、1,3−ヘキサジイン−5−イル、1−オクチン−8−イル、1−ノニン−9−イル、1−デシン−10−イル、および1−テトラコシン−24−イルである。
〜C40アリール残基の例は、フェニル、ナフチル、ビフェニリル、テルフェニリル、ピレニル、フルオレニル、フェナントリル、アントリル、テトラシル、ペンタシルまたはヘキサシルである。
〜C40アルコキシ基は、直鎖または分枝状アルコキシ基、例えばメトキシ、エトキシ、n−プロポキシ、イソプロポキシ、n−ブトキシ、sec−ブトキシ、tert−ブトキシ、アミルオキシ、イソアミルオキシ、tert−アミルオキシ、ヘプチルオキシ、オクチルオキシ、イソオクチルオキシ、ノニルオキシ、デシルオキシ、ウンデシルオキシ、ドデシルオキシ、テトラデシルオキシ、ペンタデシルオキシ、ヘキサデシルオキシ、ヘプタデシルオキシ、オクタデシルオキシ、ノナデシルオキシ、エイコサニルオキシ、ヘンエイコサニルオキシ、ドコサニルオキシ、トリコサニルオキシ、テトラコサニルオキシ、ペンタコサニルオキシ、ヘキサコサニルオキシ、ヘプタコサニルオキシ、オクタコサニルオキシ、ノナコサニルオキシ、トリアコンタニルオキシ、ヘントリアコンタニルオキシ、ドトリアコンタニルオキシ、トリトリアコンタニルオキシ、テトラトリアコンタニルオキシ、ペンタトリアコンタニルオキシ、ヘキサトリアコンタニルオキシ、ヘプタトリアコンタニルオキシ、オクタトリアコンタニルオキシ、ノナトリアコンタニルオキシ、およびテトラコンタニルオキシである。
本発明の問題は、グラフェンナノリボンの製造のための、一般式(I)のオルト−テルフェニルを使用する方法によってさらに解決される。
したがって、本発明の別の態様は、
(a)一般式(I)のオルト−テルフェニルを重合させて、一般式(II)の繰返し単位を有するポリマー前駆体を形成する工程
Figure 2017520618
(式中、R、R、RおよびRは、前記で定義した通りである);および
(b)ポリマー前駆体を脱水素環化させて、一般式(III)の繰返し単位を有するグラフェンナノリボンを形成する工程
Figure 2017520618
(式中、R、R、RおよびRは、前記で定義した通りである)
を含む、グラフェンナノリボンの製造のための方法である。
本発明の好ましい実施形態では、(a)重合は、溶液中で行われる。例えば、一般式(II)の繰返し単位を有するポリマー前駆体は、ジメチルホルムアミド(DMF)中またはトルエンとDMFの混合物中で山本重縮合(T. Yamamoto、Progr. Polym. Sci. 1992、17、1153〜1205;T. Yamamoto、Bull. Chem. Soc. Jpn. 1999、72、621〜638;T. Yamamoto、T. Kohara、A. Yamamoto、Bull. Chem. Soc. Jpn. 1981、54、1720〜1726)によって得ることができる。山本重縮合に適した触媒は、例えばトルエンとDMFの混合物中で、ビス(シクロオクタジエン)ニッケル(0)、1,5−シクロオクタジエンおよび2,2’−ビピリジンの化学量論混合物から製造することができる。特定の置換基RおよびRに応じて、50〜110℃の温度、好ましくは70〜90℃の温度で重縮合反応を実施する。山本重縮合反応の停止およびニッケル残基の分解は、反応混合物を、希釈されたメタノール性塩酸中に注意深く滴下することによって達成される。通常、ろ過によって回収できる白色沈殿物が形成される。さらに適当な重縮合反応は、例えば、ウルマン型カップリングおよびグレーサー型カップリングに依存する。適当なコモノマーを用いて、オルト−テルフェニルを、例えば鈴木−宮浦型カップリング、根岸型カップリング、スティル型カップリングおよび熊田型カップリングに適用することもできる。
本発明の一実施形態では、(b)脱水素環化は、溶液中で行われる。例えば、一般式(III)の繰返し単位を有するグラフェンナノリボンの製造は、ジクロロメタンとニトロメタンの混合物中で塩化第二鉄(FeCl)、塩化モリブデン(MoCl)または銅トリフレート(Cu(OTf))のようなルイス酸を使用して行うことができる。あるいは、グラフェンナノリボンの製造は、無水ジクロロメタン中でフェニルヨウ素(III)ビス(トリフルオロアセテート)(PIFA)およびBFエーテラートを使用して実施することができる。PIFAは、ルイス酸によって活性化させた場合、広範囲の基質と容易に反応して、優れた収率でビアリール生成物が得られることが知られている(Takada,T.;Arisawa,M.;Gyoten,M.;Hamada,R.;Tohma,H.;Kita,Y. J. Org. Chem. 1998、63、7698〜7706)。さらに、これは、トリフェニレン(King,B. T.;Kroulik,J.;Robertson,C. R.;Rempala,P.;Hilton,C. L.;Korinek,J. D.;Gortari,L. M. J. Org. Chem. 2007、72、2279〜2288)およびヘキサ−ペリ−ヘキサベンゾコロネン(HBC)誘導体(Rempala,P.;Kroulik,J.;King,B. T. J. Org. Chem. 2006、71、5067〜5081)の合成に適用することができる。重要なことには、塩化第二鉄を適用しているときにしばしば観察される望まれない塩素化は、この手順によって除外される。そのようなタイプの脱水素環化反応の適当な変形形態は、論文「Cyclodehydrogenation in the Synthesis of Graphene−Type Molecules」(M. Kivala、D. Wu、X. Feng、C. Li、K. Mullen、Materials Science and Technology 2013、373〜420)、およびその中に引用されている文献で見つけることができる。
一般に、溶液中で行われる脱水素環化によって得られるグラフェンナノリボンの分子量は、1,000〜1,000,000g/mol、好ましくは20,000〜200,000g/molまで変わる。
本発明の別の好ましい実施形態では、(a)重合および(b)脱水素環化は、不活性表面で行われる。したがって、一般式(III)の繰返し単位を有するグラフェンナノリボンは、高真空条件下におけるこの表面での直接成長によって製造される。それによって、一般式(I)のオルト−テルフェニルは、初めに高温で重合させて一般式(II)の繰返し単位を有するポリマー前駆体を形成し、次いでそれをさらなる高温で反応させて一般式(III)の繰返し単位を有するグラフェンナノリボンを形成する。
超高真空(UHV)条件を用いた表面補助ボトムアップ手法は、J. Caiら、Nature 466、470〜473頁(2010)およびその後の少数の刊行物(S. Blankenburgら、ACS Nano 2012、6、2020;S. Lindenら、Phys. Rev. Lett. 2012、108、216801)に記載されている。あるいは、WO 2014/045148 A1に開示されている表面補助ボトムアップ手法を使用してもよい。この手法は、超高真空を適用する必要がないという利点を有する。
本発明において、表現「不活性表面」は、前記化合物自体と不可逆的に反応することなく、一般式(I)のオルト−テルフェニルおよび/または一般式(II)の繰返し単位を有するポリマー前駆体の吸着/被着、およびその後の重合および/または脱水素環化を可能にするあらゆる種類の固体基質の表面を含む。「不活性表面」は、好ましくは、重合および/または脱水素環化反応のための触媒として作用し得る。不活性表面は、Au、Ag、Cu、Al、W、Ni、Pt、またはPd表面などの金属表面、好ましくはAuおよび/またはAg表面であってよい。表面はまた、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、ケイ酸ハフニウム、窒化ケイ酸ハフニウム、ケイ酸ジルコニウム、二酸化ハフニウムおよび二酸化ジルコニウム、または酸化アルミニウム、酸化銅、酸化鉄などの金属酸化物表面であってもよい。表面はまた、シリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、炭化ケイ素、およびモリブデンジスルフィドなどの半導体物質で作製してもよい。表面はまた、窒化ホウ素、塩化ナトリウム、またはカルサイトなどの物質であってもよい。表面は、導電性、半導電性、または絶縁性であってよい。
表面への被着は、真空蒸着(昇華)プロセス、スピンコーティング、スプレーコーティング、ディップコーティング、印刷、エレクトロスプレー蒸着、もしくはレーザー誘起脱離などの溶液系プロセスまたは移動プロセスによって行うことができる。被着プロセスはまた、直接的な表面から表面への移動であってもよい。被着は、真空蒸着プロセスによって行われることが好ましい。これは、真空昇華プロセスであることが好ましい。
上記の表面補助手法に応じて、反応工程(a)および(b)で適用した圧力は、通常10−5mbar未満であり、しばしば10−5mbarである。
好ましくは、工程(a)の重合は、熱活性化によって誘導される。しかしながら、例えば、放射線などの重合を誘導する任意の他のエネルギー入力は、同様に使用することができる。活性化温度は、使用した表面および一般式(I)のオルト−テルフェニルの置換パターンによって決まる。通常、温度は、100〜300℃の範囲である。
任意に、工程(a)は、工程(b)において部分的または完全な脱水素環化を実施する前に、1回または数回繰り返してもよい。
上記のように、本発明の方法の工程(b)は、一般式(III)の繰返し単位を有するグラフェンナノリボンを形成するための、一般式(II)の繰返し単位を有するポリマー前駆体の少なくとも部分的な、好ましくは完全な脱水素環化を含む。脱水素環化反応は、通常、200〜500℃の範囲の温度で行われる。
好ましくは、表面補助手法は、プロセス工程(a)と(b)の間に任意の中間工程を含まない。工程(a)および(b)は、直接的に互いに続いてもよく、かつ/または重なり合ってもよい。
一般に、表面での直接成長によって得られる一般式(III)の繰返し単位を有するグラフェンナノリボンの分子量は、2,000〜1,000,000g/mol、好ましくは4,000〜100,000g/molまで変わる。
共有結合した二次元分子アレイは、走査トンネル顕微鏡(STM)技術によって効率的に研究することができる。表面に限定された共有結合形成の例には、ウルマンカップリング、イミド化、ポルフィリンの架橋ならびに複素環カルベンおよびポリアミンのオリゴマー化が含まれる。表面上のグラフェンナノリボンおよびグラフェンネットワークの直接成長のための化学先導(chemistry−driven)プロトコルは、Muellen(MPI−P マインツ、ドイツ)およびFasel(EMPA デューベンドルフ、スイス)のグループによってごく最近確立されている(Bieri,M.;Treier,M.;Cai,J.;Ait−Mansour,K.;Ruffieux,P.;Groening,O.、Groening,P.;Kastler,M.;Rieger,R.;Feng,X.;Muellen,K.;Fasel,R.;Chem. Commun. 2009、45、6919;Bieri,M.;Nguyen,M. T.;Groening,O.;Cai,J.;Treier,M.;Ait−Mansour,K.;Ruffieux,P.;Pignedoli,C. A.;Passerone,D.;Kastler,M.;Muellen,K.;Fasel,R.;J.Am.Chem.Soc. 2010、132、16669;Treier,M.;Pignedoli,C. A.;Laino,T.;Rieger,R.;Muellen,K.;Passerone,D.;Fasel,R. Nature Chemistry 2011、3、61;Cai,J.;Ruffieux,P.;Jaafar,R.;Bieri,M.;Braun,T.;Blankenburg,S.;Muoth,M.;Seitsonen,A. P.;Saleh,M.;Feng,X.;Muellen,K.;Fasel,R. Nature 2010、466、470〜473)。特定の理論に拘泥するものではないが、これらの研究から、金属表面上でのナノリボン形成がラジカル経路によって進行すると結論づけることができる。超高真空(UHV)昇華(10−11〜10−5mbar、好ましくは10−10〜10−7mbar)による表面上への官能化されたモノマーの被着後、100〜200℃までアニーリングすることによって熱活性化させると、脱ハロゲンが起こることが考えられる。これは、表面上で拡散し、かつ互いに結合し炭素−炭素結合の形成をもたらすビラジカル種を生成する。これらのラジカル付加反応は、中間の熱レベル(100〜300℃、好ましくは150〜220℃)で進行し、より高温(200〜500℃、好ましくは380〜420℃)におけるその後の脱水素環化の必須条件である。十分な分子量のポリマー種が第1ステージ中に形成された場合にだけ、分子の完全な黒鉛化が、続いて、表面からの物質の熱脱離を回避して進行することになる。
UHV表面補助重合および脱水素環化のために、金属基質上の平面配向を補助する十分に高い剛性および平面性を有する官能性モノマーが必要とされる。また、それらの形状が前駆体モノマーの官能基パターンおよび幾可学的形状によって決定されるので、この方法は、グラフェンナノリボンの位相的な調製を可能にする。溶媒系プロセスはこの表面結合プロトコルに関与しないので、アルキル鎖の可溶化はモノマー設計に必要ではない。
本出願のさらなる態様は、一般式(II)
Figure 2017520618
(式中、R、R、RおよびRは、前記で定義した通りである)
の繰返し単位を有する、グラフェンナノリボンの製造のためのポリマー前駆体である。
本出願の別の態様は、一般式(III)
Figure 2017520618
(式中、R、R、RおよびRは、前記で定義した通りである)
の繰返し単位を有するグラフェンナノリボンである。
一般式(I)のオルト−テルフェニルは、以下に示すスキーム1〜3に従って合成することができる。使用した反応条件および溶媒は、純粋に例示であり;もちろん他の条件および溶媒も使用してよく、当業者によって容易に決定され得る。一般式(I)のオルト−テルフェニルの合成のための出発原料として、市販されている2,5−ジハロアニリン1を使用する(スキーム1)。反応シーケンスの第1工程では、2,5−ジハロアニリン1は、塩基性条件下で抱水クロラール2および塩酸ヒドロキシルアミンと反応させて、(2,5−ジハロフェニル)−2−(ヒドロキシイミノ)アセトアミド3を形成する。
次いで、(2,5−ジハロフェニル)−2−(ヒドロキシイミノ)アセトアミド3を、高温で硫酸にさらして4,7−ジハロインドリン−2,3−ジオン4を生じる。
Figure 2017520618
4,7−ジハロインドリン−2,3−ジオン4と水酸化ナトリウム水溶液の溶液に、過酸化水素の水溶液を加え、反応混合物を50℃まで加熱する(スキーム2)。冷却および酸処理後、2−アミノ−3,6−ジハロ安息香酸5が得られ、続いてそれをヨウ素および亜硝酸イソアミルと反応させて1,4−ジブロモ−2,3−ジヨードベンゼン6を生じる。
Figure 2017520618
次いで、1,4−ジブロモ−2,3−ジヨードベンゼン6を2つの連続した鈴木カップリング反応にかける(スキーム3)。1,4−ジブロモ−2,3−ジヨードベンゼン6とボロン酸9の第1の鈴木カップリング反応は、例えば、触媒量のテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(Pd(PPh)と、例えば、炭酸ナトリウムのような塩基の存在下で、ジオキサン中高温で行うことができる。こうして得られたモノカップリングしたビフェニル(IV)を第二の鈴木反応にかけることができる。一般式(I)のオルト−テルフェニルは、例えば、モノカップリングしたビフェニル(IV)、アリールブロン酸10、パラジウム(0)触媒およびジオキサン中の塩基の反応混合物を100℃まで数日間加熱することによって合成することができる。精製後、一般式(I)のオルト−テルフェニルを重合にかけることができる。
Figure 2017520618
本明細書に開示されているグラフェンナノリボンを使用する、電子装置、光学装置、および光電子装置、例えば電界効果トランジスタ(例えば薄膜トランジスタ)、光起電装置、有機発光ダイオード(OLED)、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)、相補型インバータ、Dフリップ−フロップ、整流器、およびリングオシレータを含めた種々の製品も、それらを作製する方法のように、本発明の範囲内である。
したがって、本発明の別の態様は、電子、光学、または光電子装置において、前記で定義した一般式(III)の繰返し単位を有するグラフェンナノリボンを使用する方法である。装置は、有機電界効果トランジスタ装置、有機光起電装置、または有機発光ダイオードであることが好ましい。
したがって、本発明は、分子前駆体の選択によって特定の用途に合わせることができる明確な電子バンドギャップを示す半導体物質を製造する方法をさらに提供する。方法は、溶媒または溶媒の混合物などの液状媒体中に溶解または分散させた本明細書に開示されている本発明の1種または複数の化合物を含む組成物を製造すること、組成物を基質上に被着させて、半導体物質前駆体を生成すること、および半導体前駆体を処理(例えば加熱)して、本明細書に開示されている1種または複数の化合物を含む半導体物質(例えば薄膜半導体)を生成することを含むことができる。種々の実施形態では、液状媒体は、有機溶媒、水などの無機溶媒、またはその組合せであってよい。いくつかの実施形態では、組成物は、洗浄剤、分散剤、結合剤、相溶化剤、硬化剤、開始剤、保湿剤、消泡剤、湿潤剤、pH改質剤、殺生剤、および静菌薬から独立に選択される1種または複数の添加剤をさらに含むことができる。例えば、界面活性剤および/またはポリマー(例えばポリスチレン、ポリエチレン、ポリ−α−メチルスチレン、ポリイソブテン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレートなど)は、分散剤、結合剤、相溶化剤、および/または消泡剤として含まれていてよい。いくつかの実施形態では、被着工程は、インクジェット印刷および種々のコンタクト印刷技術(例えばスクリーン印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、パッド印刷、リソグラフィック印刷、フレキソ印刷、およびマイクロコンタクト印刷)を含めた印刷によって実施することができる。他の実施形態では、被着工程は、スピンコーティング、ドロップキャスティング、ゾーンキャスティング、ディップコーティング、ブレードコーティング、吹き付けまたは真空ろ過によって実施することができる。
本発明はさらに、本発明の半導体物質と基質成分および/または誘電体成分を有する複合体を含む、本明細書に記載の種々の装置などの製品を提供する。基質成分は、ドープしたシリコン、酸化インジウムスズ(ITO)、ITO被覆ガラス、ITO被覆ポリイミドもしくは他のプラスチック、アルミニウムもしくは他の金属単独またはポリマーもしくは他の基質上にコーティングしたもの、ドープしたポリチオフェンなどから選択することができる。誘電体成分は、種々の酸化物(例えば、SiO、Al、HfO)などの無機誘電体材料、種々のポリマー材料(例えば、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリスチレン、ポリハロエチレン、ポリアクリレート)などの有機誘電体材料、および自己組織化超格子/自己組織化ナノ誘電性(SAS/SAND)材料(例えば、Yoon,M−H.ら、PNAS、102(13):4678〜4682(2005)に記載されている)、ならびにハイブリッド有機/無機誘電体材料(例えば米国特許US 2007/0181961 A1に記載されている)から製造することができる。複合体は、1種または複数の電気接点も含んでいてよい。ソース、ドレイン、およびゲート電極に適した材料には、金属(例えば、Au、Al、Ni、Cu)、透明導電性酸化物(例えば、ITO、IZO、ZITO、GZO、GIO、GITO)、および導電性ポリマー(例えば、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)ポリ(スチレンスルホネート)(PEDOT:PSS)、ポリアニリン(PANI)、ポリピロール(PPy)が含まれる。本明細書に記載された1種または複数の複合体は、種々の有機電子、光学および光電子装置、例えば有機薄膜トランジスタ(OTFT)など、具体的には、有機電界効果トランジスタ(OFET)、ならびにセンサー、キャパシタ、単極性回路、相補型回路(例えばインバータ回路)などの内部に組み込むことができる。
したがって、本発明のさらなる態様は、前記で定義した一般式(III)の繰返し単位を有するグラフェンナノリボンを含む、薄膜半導体を含む電子、光学、または光電子装置である。装置は、有機電界効果トランジスタ装置、有機光起電装置、または有機発光ダイオードであることが好ましい。
本発明のグラフェンナノリボンが有用な他の製品は、光起電装置または太陽電池である。本発明の化合物は、広範な光吸収および/または大きく正にシフトした還元電位を示すことができ、このような用途に望ましいものになる。したがって、本明細書に記載された化合物は、光起電力設計中でn型半導体として使用でき、これは、p−n接合を形成する隣接するp型半導体物質を含む。化合物は、薄膜半導体の形態であってよく、これは基質上に被着させて複合体を形成することができる。このような装置での本発明の化合物の利用は、当業者の理解の範囲内である。
したがって、本発明の別の態様は、本発明の半導体物質を組み込んだ有機電界効果トランジスタの製作方法に関する。本発明の半導体物質は、トップゲートトップコンタクトキャパシタ構造、トップゲートボトムコンタクトキャパシタ構造、ボトムゲートトップコンタクトキャパシタ構造、およびボトムゲートボトムコンタクトキャパシタ構造を含む、種々のタイプの有機電界効果トランジスタを製作するために使用することができる。
いくつかの実施形態では、OTFT装置は、トップコンタクト配置で、SiOを誘電体として使用して、ドープしたシリコン基質上のこのグラフェンナノリボンを用いて製作することができる。特定の実施形態では、少なくとも本発明の化合物を組み込んだ活性半導体層を、室温または高温で被着させることができる。他の実施形態では、少なくとも本発明の化合物を組み込んだ活性半導体層を、本明細書に記載されたスピンコーティングまたは印刷によって塗布することができる。トップコンタクト装置では、シャドウマスク、電子ビームリソグラフィーおよびリフトオフ技術、または当業者の理解の範囲内の他の適当な構造化法を使用して、金属接点を膜の上にパターン形成することができる。
以下の実施例によって、本発明をより詳細に例示する。
実施例
図1〜7は以下のものを示す:
3’,6’−ジブロモ−1,1’:2’,1”−テルフェニル8(オルト−テルフェニル(I)(式中、R=R=R=R=H、およびX=Y=Brである))のための合成経路を示す図である。 1,4−ジブロモ−2,3−ジヨードベンゼン6のH NMR(300MHz、CDCl)を示す図である。 1,4−ジブロモ−2,3−ジヨードベンゼン6の13C NMR(75MHz、CDCl)を示す図である。 3’,6’−ジブロモ−1,1’:2’,1”−テルフェニル8のH NMR(300MHz、CDCl)を示す図である。 3’,6’−ジブロモ−1,1’:2’,1”−テルフェニル8の13C NMR(75MHz、CDCl)を示す図である。 Au表面上での重合および脱水素環化後の3’,6’−ジブロモ−1,1’:2’,1”−テルフェニル8から得られた9−AGNRのSTM像を示す図である。 STM像とAGNR構造の化学モデルの重ね合わせを示す拡大図である。
(2,5−ジハロフェニル)−2−(ヒドロキシイミノ)アセトアミド3の製造
Figure 2017520618
(2,5−ジハロフェニル)−2−(ヒドロキシイミノ)アセトアミド3は、S.−J. Garden、J.−C. Torres、A.−A. Ferreira、R.−B. Silva、A.−C. Pinto、Tetrahedron Lett. 1997、38、1501に記載されているように合成した。したがって、1L丸底フラスコ中に、2,5−ジハロアニリン1 10g(39.85mmol)、抱水クロラール7.91g(47.82mmol)、塩酸ヒドロキシルアミン4.15g(59.78mmol)および硫酸ナトリウム48gを置いた。エタノール300mLおよび水300mLを加え、反応混合物を80℃で12h撹拌した。室温まで冷却した後、沈殿物をろ過し、酢酸エチルとヘキサン(1:10)の混合物で洗浄し、真空下で乾燥させて、収率72%で(2,5−ジハロフェニル)−2−(ヒドロキシイミノ)アセトアミド3を白色固体として得た。
H NMR:(300MHz、DMSO):δ=12.54(s、1H)、9.51(s、1H)、8.15(d、1H)、7.6(m、2H)、7.34(dd、1H)ppm。
13C NMR:(300MHz、DMSO):δ=160.45、143.10、136.73、134.18、129.15、126.50、120.58、114.96ppm。
4,7−ジハロインドリン−2,3−ジオン4の製造
Figure 2017520618
S.−J. Gardenら、Tetrahedron Lett. 1997、38、1501に記載されているように、濃硫酸(45mL)を250mL丸底フラスコ中で50℃まで加熱した。乾燥させた(2,5−ジハロフェニル)−2−(ヒドロキシイミノ)アセトアミド3(5g、15.6mmol)を加え、反応混合物を100℃まで30分間加熱した。得られた紫色混合物を室温まで冷却し、氷水(300mL)に注ぎ込んで、4,7−ジハロインドリン−2,3−ジオン4を淡オレンジ色固体として沈殿させた。沈殿物をろ過し、真空乾燥させて、収率56%で4を得た。
H NMR:(300MHz、DMSO):δ=11.43(s、1H)、7.66(d、1H)、7.17(d、1H)ppm。
13C NMR:(300MHz、DMSO):δ=181.08、158.94、151.06、140.64、127.86、118.36、103.68ppm。
2−アミノ−3,6−ジハロ安息香酸5の製造
Figure 2017520618
2−アミノ−3,6−ジハロ安息香酸5は、刊行物:V. Lisowski、M. Robba、S. Rault、J. Org. Chem. 2000、65、4193に記載された合成手順に従って合成した。したがって、4,7−ジハロインドリン−2,3−ジオン4(3g、10mmol)を5%水酸化ナトリウム50mLに溶解し50℃まで加熱した。30%過酸化水素(50mL)を1滴ずつ加え、得られた混合物を50℃でさらに30分間撹拌した。室温まで冷却した後、溶液をろ過し、1M塩酸を用いてpH4まで酸性にした。ベージュ色沈殿物をろ過し、真空乾燥させて、収率65%で2−アミノ−3,6−ジハロ安息香酸5を得た。
H NMR:(300MHz、DMSO):δ=13.73(b s、1H)、7.38(d、1H)、6.79(d、1H)、5.58(b s、1H)ppm。
13C NMR:(300MHz、DMSO):δ=167.32、144.12、134.32、121.09、118.96、107.86ppm。
1,4−ジブロモ−2,3−ジヨードベンゼン6の製造
Figure 2017520618
1,4−ジブロモ−2,3−ジヨードベンゼン6は、論文:O.S. Miljanic、K.P.C. Vollhardt、G.D. Whitener Synlett 2003、29〜34で公表された手順に従って合成した。撹拌および還流させた、1,2−ジクロロエタン200mLに溶かしたヨウ素(2.58g、10.17mmol)および亜硝酸イソアミル(1.64mL、12.21mmol)の溶液に、ジオキサン15mLに溶かした2−アミノ−3,6−ジハロ安息香酸5の溶液を1滴ずつ加えた。得られた混合物を1h還流させ、室温まで冷却し、ろ過し、ろ液を5%チオ硫酸ナトリウム水溶液で洗浄した。有機相を硫酸マグネシウム上で乾燥させ、溶媒を蒸発させた。得られた残留物を、ヘキサンを用いたフラッシュカラムクロマトグラフィーによって精製して、収率60%で無色針として1,4−ジブロモ−2,3−ジヨードベンゼン6を得た。分光データは、文献値と一致している。
H NMR:(300MHz、CDCl):δ=7.45(s、2H)ppm。
13C NMR:(300MHz、CDCl):δ=133.25、128.09、117.52ppm。
3’,6’−ジブロモ−1,1’:2’,1”−テルフェニル8の製造
Figure 2017520618
1,4−ジブロモ−2,3−ジヨードベンゼン6(250mg、0.5mmol)およびフェニルボロン酸(65.63mg、0.5mmol)をジオキサン10mLに溶解させ、2M炭酸ナトリウム水溶液1mLを加えた。アルゴンを45分間溶液中にバブリングし、次いで、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(60mg、0.1mol%)を加えた。アルゴンをさらに15分間溶液中にバブリングし、反応混合物を80℃で2日間撹拌した。室温まで冷却した後、溶液を水/ジクロロメタンで抽出し、有機相を硫酸マグネシウム上で乾燥させ、溶媒を蒸発させた。粗製混合物をカラムクロマトグラフィー(PE:DCM 9:1)によって精製して、収率60%でモノカップリングした生成物7を得た。
第2のヨウ素は、同様の鈴木カップリング反応において、追加の当量のフェニルボロン酸とカップリングさせた。溶液をアルゴン下100℃で3日間撹拌した。粗製の反応混合物をカラムクロマトグラフィー(PE:DCM 9:1)によって精製して、収率10%で3’,6’−ジブロモ−1,1’:2’,1”−テルフェニル8を得た。無色固体をエタノールから再結晶させることができる。
H NMR:(300MHz、CDCl):δ=7.49(s、2H)、7.12〜7.05(m、6H)、6.93〜6.90(m、4H)ppm。
13C NMR:(300MHz、CDCl):δ=144.24、140.56、133.14、130.23、127.85、127.45、123.63ppm。
FD−MS:m/z=388.0
グラフェンナノリボンの表面補助製造
Au(111)単結晶(Surface Preparation Laboratory、オランダ)を、N=9アームチェアグラフェンナノリボン(9−AGNR)の成長のための基質として使用した。第1に、基質をアルゴンイオンボンバードメントと480℃までのアニーリングの繰返しサイクルによって清浄にし、次いで被着のために室温まで冷却した。3’,6’−ジブロモ−1,1’:2’,1”−テルフェニル8を、約1Å/分の速度で昇華によって清浄な表面上に被着させた。次いで、Au(111)基質は、重合を誘導するために175℃で10分間、かつGNRを形成するために400℃で10分間、ポストアニールした。Omicron Nanotechnology GmbH、ドイツ製の低温STM(LT−STM)を使用して、9−AGNR試料の形態を特徴付けた。モデルとSTM像の間の一致は、9−AGNRが、3’,6’−ジブロモ−1,1’:2’,1”−テルフェニル8からAu(111)表面上に合成できることを証明している(図6)。

Claims (16)

  1. 一般式(I);
    Figure 2017520618
    (式中、
    、R、RおよびRは、独立に、H;CN;NO;および飽和、不飽和または芳香族C〜C40炭化水素残基からなる群から選択され、前記C〜C40炭化水素残基は、F、Cl、OH、NH、CNおよび/またはNOで1から5回置換されていてもよく、1個または複数個の−CH−基は、−O−、−NH−、−S−、−C(=O)O−、−OC(=O)−および/または−C(=O)−で置き換えられていてもよく;
    XおよびYは、同じであるまたは異なり、F、Cl、Br、I、およびOTf(トリフルオロメタンスルホネート)からなる群から選択される)
    のオルト−テルフェニル。
  2. 、R、RおよびRが、独立に、H;非置換のC〜C40アルキル残基;および非置換のC〜C40アルコキシ残基からなる群から選択される、請求項1に記載のオルト−テルフェニル。
  3. およびRが、独立に、H、非置換のC〜C20アルキル残基、および非置換のC〜C20アルコキシ残基からなる群から選択され;RおよびRが、Hである、請求項1または2に記載のオルト−テルフェニル。
  4. 、R、RおよびRが、Hである、請求項1から3のいずれか一項に記載のオルト−テルフェニル。
  5. XおよびYが、同じである、請求項1から4のいずれか一項に記載のオルト−テルフェニル。
  6. XおよびYが、Brである、請求項1から5のいずれか一項に記載のオルト−テルフェニル。
  7. グラフェンナノリボンの製造のための、請求項1から6のいずれか一項に記載のオルト−テルフェニルを使用する方法。
  8. グラフェンナノリボンの製造のための方法であって、
    (a)請求項1から6のいずれか一項に記載のオルト−テルフェニルを重合させて、一般式(II)の繰返し単位を有するポリマー前駆体を形成する工程
    Figure 2017520618
    (式中、R、R、RおよびRは、請求項1から4のいずれか一項で定義した通りである);および
    (b)ポリマー前駆体を脱水素環化させて、一般式(III)の繰返し単位を有するグラフェンナノリボンを形成する工程
    Figure 2017520618
    (式中、R、R、RおよびRは、請求項1から4のいずれか一項で定義した通りである)
    を含む、方法。
  9. (a)重合が溶液中で行われる、請求項8に記載の方法。
  10. (b)脱水素環化が溶液中で行われる、請求項8または9に記載の方法。
  11. (a)重合および(b)脱水素環化が、不活性表面で行われる、請求項8に記載の方法。
  12. 一般式(II)
    Figure 2017520618
    (式中、R、R、RおよびRは、請求項1から4のいずれか一項で定義した通りである)
    の繰返し単位を有する、グラフェンナノリボンの製造のためのポリマー前駆体。
  13. 一般式(III)
    Figure 2017520618
    (式中、R、R、RおよびRは、請求項1から4のいずれか一項で定義した通りである)
    の繰返し単位を有するグラフェンナノリボン。
  14. 電子、光学、または光電子装置において、請求項13に記載のグラフェンナノリボンを使用する方法。
  15. 請求項13に記載のグラフェンナノリボンを含む薄膜半導体を含む、電子、光学、または光電子装置。
  16. 有機電界効果トランジスタ装置、有機光起電装置、または有機発光ダイオードである、請求項15に記載の装置。
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