JP2018043947A - Heteroacene derivative, organic semiconductor layer, and organic thin-film transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機半導体材料等の電子材料への展開が可能な新規なヘテロアセン誘導体、これを用いた有機半導体層及び有機薄膜トランジスタに関するものであり、特に優れた電気特性、溶解性及び耐酸化性を併せ持つことから、様々なデバイス作製プロセスに適用可能な新規なヘテロアセン誘導体、これを用いた有機半導体層及び有機薄膜トランジスタに関するものである。 The present invention relates to a novel heteroacene derivative that can be developed into an electronic material such as an organic semiconductor material, an organic semiconductor layer and an organic thin film transistor using the same, and has particularly excellent electrical characteristics, solubility, and oxidation resistance. In addition, the present invention relates to a novel heteroacene derivative applicable to various device manufacturing processes, an organic semiconductor layer using the same, and an organic thin film transistor.
有機薄膜トランジスタに代表される有機半導体デバイスは、省エネルギー、低コスト及びフレキシブルといった無機半導体デバイスにはない特徴を有することから近年注目されている。この有機半導体デバイスは、有機半導体層、基板、絶縁層、電極等の数種類の材料から構成され、中でも電荷のキャリア移動を担う有機半導体層は該デバイスの中心的な役割を有している。そして、有機半導体デバイス性能は、この有機半導体層を構成する有機半導体材料のキャリア移動度により左右されることから、高キャリア移動度を与える有機半導体材料の出現が所望されている。 Organic semiconductor devices typified by organic thin film transistors have been attracting attention in recent years because they have features not found in inorganic semiconductor devices such as energy saving, low cost, and flexibility. This organic semiconductor device is composed of several kinds of materials such as an organic semiconductor layer, a substrate, an insulating layer, and an electrode. Among them, the organic semiconductor layer responsible for charge carrier movement has a central role of the device. And since organic-semiconductor device performance is influenced by the carrier mobility of the organic-semiconductor material which comprises this organic-semiconductor layer, the appearance of the organic-semiconductor material which gives a high carrier mobility is desired.
有機半導体層を作製する方法としては、高温真空下、有機材料を気化させて実施する真空蒸着法、有機材料を適当な溶媒に溶解させその溶液を塗布する塗布法等の方法が一般的に知られている。このうち、塗布法においては、高温高真空条件を要しない印刷技術を用いても実施することができるため、デバイス作製の大幅な製造コストの削減を図ることが期待でき、経済的に好ましいプロセスである。 As a method for producing an organic semiconductor layer, generally known are a vacuum deposition method in which an organic material is vaporized under a high temperature vacuum, and a coating method in which an organic material is dissolved in an appropriate solvent and applied. It has been. Of these, the coating method can be carried out using printing technology that does not require high-temperature and high-vacuum conditions, so it can be expected to greatly reduce the manufacturing cost of device fabrication, and is an economically preferable process. is there.
このような塗布法に使用される有機半導体材料は、印刷プロセスへの適応の観点から、室温で1.0重量%以上の溶解性を持つことが好ましい。また、大気中で安定に動作させるため耐酸化性を持つことが好ましい。 The organic semiconductor material used in such a coating method preferably has a solubility of 1.0% by weight or more at room temperature from the viewpoint of adapting to the printing process. Moreover, it is preferable to have oxidation resistance in order to operate stably in the atmosphere.
ここで、一般に、低分子系の半導体は、高分子系の半導体と比べて結晶性が高いため高キャリア移動度を発現しやすいことが知られている。しかし、高キャリア移動度、高溶解性及び高耐酸化性を兼ね合わせた低分子系の有機半導体材料はあまり知られていないのが現状である。 Here, it is generally known that a low molecular semiconductor has a high crystallinity compared to a high molecular semiconductor and thus easily exhibits high carrier mobility. However, there are few known low molecular organic semiconductor materials that combine high carrier mobility, high solubility, and high oxidation resistance.
現在、低分子系材料としてペンタセンが広く知られている。ペンタセンは高いキャリア移動度を有することが知られているが、溶液状態ではきわめて空気酸化されやすい等耐酸化性に課題を有する。 Currently, pentacene is widely known as a low molecular weight material. Although pentacene is known to have high carrier mobility, it has a problem in oxidation resistance such as being easily oxidized by air in a solution state.
耐酸化性を有する低分子系材料としてはチオフェン環を有する物質が提案されており、例えば、2,7−ジヘキシルジチエノベンゾジチオフェン(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)、ジアルキル置換ジナフトチエノチオフェン(例えば、特許文献3参照。)等が提案されている。 As a low molecular weight material having oxidation resistance, a substance having a thiophene ring has been proposed. For example, 2,7-dihexyldithienobenzodithiophene (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2), dialkyl substitution. Dinaphthothienothiophene (see, for example, Patent Document 3) has been proposed.
しかし、特許文献1及び特許文献2に提案の2,7−ジヘキシルジチエノベンゾジチオフェンは、ドロップキャスト法により0.1cm2/V・sの移動度を示すが、室温での溶媒に対する溶解度に課題を有する。また、特許文献3に提案のジアルキル置換ジナフトチエノチオフェンは、真空蒸着法により高い移動度を示すが、60℃におけるトルエンへの溶解度は0.01wt%を下回り、印刷プロセスへの適応は困難である。
However, the 2,7-dihexyldithienobenzodithiophene proposed in Patent Document 1 and
一方、その他のチオフェン環を有する物質が開発されており、アントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェンの開示がある(例えば、特許文献4、及び非特許文献1〜3参照。)。しかし、これまでに種々のアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェンの誘導体が合成されているが、塗布型有機トランジスタ素子用途の化合物は報告されていないのが現状である。
On the other hand, other substances having a thiophene ring have been developed, and anthra [1,2-b: 8,7-b ′] dithiophene is disclosed (for example, see
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高キャリア移動度で高溶解性及び高耐酸化性を持つ新規な塗布型の有機半導体材料を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a novel coating-type organic semiconductor material having high carrier mobility, high solubility, and high oxidation resistance.
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討の結果、新規なヘテロアセン誘導体を用いることにより、高キャリア移動度を与えると共に、高溶解性、及び高耐酸化性を持つ有機薄膜トランジスタが得られることを見出し、本発明を完成するに到った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor can obtain an organic thin film transistor having high carrier mobility, high solubility, and high oxidation resistance by using a novel heteroacene derivative. As a result, the present invention has been completed.
即ち、本発明は、下記一般式(1)で示されることを特徴とするヘテロアセン誘導体、これを用いた有機半導体層、及びその有機半導体層を用いてなる有機薄膜トランジスタに関するものである。 That is, the present invention relates to a heteroacene derivative represented by the following general formula (1), an organic semiconductor layer using the heteroacene derivative, and an organic thin film transistor using the organic semiconductor layer.
以下に本発明を詳細に説明する。
The present invention is described in detail below.
本発明で用いられるヘテロアセン誘導体は上記一般式(1)で示される誘導体であり、置換基R1〜R9は、それぞれ独立して、水素、ハロゲン、炭素数2〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアシル基、炭素数2〜20のアルケニル基、又は炭素数2〜20のアルキニル基を示す。ただし、置換基R1〜R9が全て同時に水素である場合を除く。T1及びT2は、それぞれ独立して硫黄原子、酸素原子、又はセレン原子を示す。 The heteroacene derivative used in the present invention is a derivative represented by the above general formula (1), and each of the substituents R 1 to R 9 is independently hydrogen, halogen, an alkyl group having 2 to 20 carbon atoms, or a carbon number. An acyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, or an alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms is shown. However, the case where the substituents R 1 to R 9 are all simultaneously hydrogen is excluded. T 1 and T 2 each independently represent a sulfur atom, an oxygen atom, or a selenium atom.
置換基R1〜R9におけるハロゲンは、例えば、塩素、臭素、ヨウ素、フッ素等が挙げられ、反応性が高いことから臭素、ヨウ素が好ましい。 Examples of the halogen in the substituents R 1 to R 9 include chlorine, bromine, iodine, fluorine and the like, and bromine and iodine are preferable because of high reactivity.
置換基R1〜R9における炭素数2〜20のアルキル基は、例えば、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、n−ウンデシル基、n−ドデシル基、n−トリデシル基、n−テトラデシル基、n−ペンタデシル基、n−ヘキサデシル基、n−ヘプタデシル基、n−オクタデシル基、n−ノナデシル基、n−イコシル基、2−エチルヘキシル基、3−エチルヘプチル基、3−エチルデシル基等の直鎖又は分岐アルキル基等が挙げられる。そして、その中でも特に高移動度及び高溶解性を示すヘテロアセン誘導体となることから、炭素数3〜10のアルキル基が好ましく、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基であることがさらに好ましい。 Examples of the alkyl group having 2 to 20 carbon atoms in the substituents R 1 to R 9 include an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, an n-pentyl group, an n-hexyl group, and an n-heptyl group. N-octyl group, n-nonyl group, n-decyl group, n-undecyl group, n-dodecyl group, n-tridecyl group, n-tetradecyl group, n-pentadecyl group, n-hexadecyl group, n-heptadecyl group And linear or branched alkyl groups such as n-octadecyl group, n-nonadecyl group, n-icosyl group, 2-ethylhexyl group, 3-ethylheptyl group, and 3-ethyldecyl group. Among them, an alkyl group having 3 to 10 carbon atoms is preferable because it is a heteroacene derivative exhibiting particularly high mobility and high solubility, and includes n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, and n-heptyl. And more preferably an n-octyl group.
置換基R1〜R9における炭素数1〜20のアシル基は、例えば、ホルミル基、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、バレリル基、ヘキサノイル基、ヘプタノイル基、オクタノイル基、ノナノイル基、デカノイル基、ウンデカノイル基、ドデカノイル基、トリデカノイル基、テトラデカノイル基、ペンタデカノイル基、ヘキサデカノイル基、ヘプタデカノイル基、オクタデカノイル基、ノナデカノイル基、イコサノイル基、2−エチルヘキサノイル基、3−エチルヘプタノイル基、3−エチルデカノイル基等の直鎖又は分岐アシル基等が挙げられる。そして、その中でも特に高移動度及び高溶解性を示すヘテロアセン誘導体となることから、炭素数3〜10のアシル基が好ましく、ブチリル基、バレリル基、ヘキサノイル基、ヘプタノイル基、オクタノイル基であることがさらに好ましい。 Examples of the acyl group having 1 to 20 carbon atoms in the substituents R 1 to R 9 include a formyl group, acetyl group, propionyl group, butyryl group, isobutyryl group, valeryl group, hexanoyl group, heptanoyl group, octanoyl group, nonanoyl group, Decanoyl group, undecanoyl group, dodecanoyl group, tridecanoyl group, tetradecanoyl group, pentadecanoyl group, hexadecanoyl group, heptadecanoyl group, octadecanoyl group, nonadecanoyl group, icosanoyl group, 2-ethylhexanoyl group, 3- Examples thereof include linear or branched acyl groups such as an ethylheptanoyl group and a 3-ethyldecanoyl group. Among them, an acyl group having 3 to 10 carbon atoms is preferable because it is a heteroacene derivative exhibiting particularly high mobility and high solubility, and is preferably a butyryl group, a valeryl group, a hexanoyl group, a heptanoyl group, or an octanoyl group. Further preferred.
置換基R1〜R9における炭素数2〜20のアルケニル基は、例えば、エテニル基、n−プロペニル基、n−ブテニル基、n−ペンテニル基、n−ヘキセニル基、n−ヘプテニル基、n−オクテニル基、n−ノネル基、n−デセニル基、n−ウンデセニル基、n−ドデセニル基、n−トリデセニル基、n−テトラデセニル基、n−ペンタデセニル基、n−ヘキサデセニル基、n−ヘプタデセニル基、n−オクタデセニル基、n−ノナデセニル基、n−イコセニル基等のアルケニル基が挙げられる。 Examples of the alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms in the substituents R 1 to R 9 include ethenyl group, n-propenyl group, n-butenyl group, n-pentenyl group, n-hexenyl group, n-heptenyl group, n- Octenyl, n-nonel, n-decenyl, n-undecenyl, n-dodecenyl, n-tridecenyl, n-tetradecenyl, n-pentadecenyl, n-hexadecenyl, n-heptadecenyl, n- Examples thereof include alkenyl groups such as octadecenyl group, n-nonadecenyl group, and n-icosenyl group.
置換基R1〜R9における炭素数2〜20のアルキニル基としては、例えば、エチニル基、n−プロピニル基、n−ブチニル基、n−ペンチニル基、n−ヘキシニル基、n−ヘプチニル基、n−オクチニル基、n−ノニニル基、n−デシニル基、n−ウンデシニル基、n−ドデシニル基、n−トリデシニル基、n−テトラデシニル基、n−ペンタデシニル基、n−ヘキサデシニル基、n−ヘプタデシニル基、n−オクタデシニル基、n−ノナデシニル基、n−イコシニル基等のアルキニル基が挙げられる。 Examples of the alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms in the substituents R 1 to R 9 include ethynyl group, n-propynyl group, n-butynyl group, n-pentynyl group, n-hexynyl group, n-heptynyl group, n -Octynyl group, n-noninyl group, n-decynyl group, n-undecynyl group, n-dodecynyl group, n-tridecynyl group, n-tetradecynyl group, n-pentadecynyl group, n-hexadecynyl group, n-heptadecynyl group, n -Alkynyl groups, such as an octadecynyl group, n-nonadecynyl group, n-icosinyl group, are mentioned.
本発明において、置換基R1〜R9が全て同時に水素である場合、剛直なヘテロアセン縮合多環骨格間での強固なπ−π相互作用のため、溶解度が小さくなるものである。また、本発明に係るヘテロアセン誘導体は、その構造特性により、さらに溶解度が小さくなるものである。すなわち、該ヘテロアセン誘導体では、電気陰性度の高いT1及びT2の存在により、本発明に係るヘテロアセン誘導体の線対称軸方向(T1とT2の中心点とR9とを結ぶ線の方向)で分極が生じるところ、当該分極の存在により、本発明に係るヘテロアセン誘導体は極性を有し、汎用の有機溶媒(非極性溶媒)に対する溶解性が低いものとなる。従って、本発明において、置換基R1〜R9が全て同時に水素であるとき、本発明の特徴である高溶解性のヘテロアセン誘導体とはならないため、本発明では、置換基R1〜R9が全て同時に水素である場合が除かれる。 In the present invention, when all of the substituents R 1 to R 9 are simultaneously hydrogen, the solubility is reduced due to a strong π-π interaction between rigid heteroacene condensed polycyclic skeletons. Further, the heteroacene derivative according to the present invention has a lower solubility due to its structural characteristics. That is, in the heteroacene derivative, due to the presence of T 1 and T 2 having high electronegativity, the line symmetry axis direction of the heteroacene derivative according to the present invention (the direction of the line connecting the center point of T 1 and T 2 and R 9) ), Polarization occurs. Due to the presence of the polarization, the heteroacene derivative according to the present invention is polar and has low solubility in a general-purpose organic solvent (nonpolar solvent). Therefore, in the present invention, when all of the substituents R 1 to R 9 are hydrogen at the same time, the highly soluble heteroacene derivative, which is a feature of the present invention, cannot be obtained. Therefore, in the present invention, the substituents R 1 to R 9 are The case of all hydrogen at the same time is excluded.
本発明において、置換基R5〜R9としては、高移動度のため、水素である場合が好ましい。また置換基R1〜R4としては、高移動度のため、ハロゲン、炭素数2〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアシル基、炭素数2〜20のアルケニル基、炭素数2〜20のアルキニル基からなる群から選ばれる場合が好ましく、高移動度及び高溶解性の両立のため、R1〜R4が炭素数2〜20のアルキル基であることがさらに好ましく、R1及びR2が炭素数2〜20のアルキル基であって、R3及びR4が水素であることが特に好ましい。本発明では、本発明に係るヘテロアセン誘導体が、該置換基を有するヘテロアセン誘導体であることにより、剛直なヘテロアセン縮合多環骨格間での強固なπ−π相互作用に加え、アルキル側鎖間の凝集効果により良好な分子配列が可能となり、より良好なキャリア移動度の発現が可能となる。また同時に、屈曲したヘテロアセン縮合多環骨格及びアルキル側鎖の自由度により、より高い溶解性の発現が可能となる。これにより、より高いキャリア移動度及びより高い溶解性を併せ持つ有機半導体材料が可能となる。 In the present invention, the substituents R 5 to R 9 are preferably hydrogen because of high mobility. Examples of the substituents R 1 to R 4, for high mobility, halogen, alkyl group having 2 to 20 carbon atoms, an acyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, 2 carbon atoms It is preferably selected from the group consisting of 20 alkynyl groups, and in order to achieve both high mobility and high solubility, R 1 to R 4 are more preferably alkyl groups having 2 to 20 carbon atoms, and R 1 and It is particularly preferable that R 2 is an alkyl group having 2 to 20 carbon atoms, and R 3 and R 4 are hydrogen. In the present invention, since the heteroacene derivative according to the present invention is a heteroacene derivative having the substituent, in addition to strong π-π interaction between rigid heteroacene fused polycyclic skeletons, aggregation between alkyl side chains The effect enables favorable molecular arrangement, and better carrier mobility can be expressed. At the same time, higher solubility can be expressed by the bent heteroacene fused polycyclic skeleton and the degree of freedom of the alkyl side chain. Thereby, an organic semiconductor material having both higher carrier mobility and higher solubility becomes possible.
本発明の上記一般式(1)で示されるヘテロアセン誘導体のT1及びT2は、それぞれ独立して硫黄原子、酸素原子、又はセレン原子を示す。そして、本発明では、炭素原子と比べ電気陰性度の高い硫黄原子、酸素原子、またはセレン原子が縮合環骨格中に導入されていることで、HOMOレベルが低下し、耐酸化性が向上しているものである。 T 1 and T 2 of the heteroacene derivative represented by the general formula (1) of the present invention each independently represent a sulfur atom, an oxygen atom, or a selenium atom. In the present invention, a sulfur atom, an oxygen atom, or a selenium atom having a higher electronegativity than a carbon atom is introduced into the condensed ring skeleton, so that the HOMO level is lowered and the oxidation resistance is improved. It is what.
本発明において、T1及びT2は、特に高移動度のため、硫黄原子であることが好ましい。 In the present invention, T 1 and T 2 are preferably sulfur atoms because of their particularly high mobility.
本発明で用いられるヘテロアセン誘導体の具体的例示としては、以下のものを挙げることができる。 Specific examples of the heteroacene derivative used in the present invention include the following.
本発明で用いられるヘテロアセン誘導体の製造方法としては、該ヘテロアセン誘導体を製造することが可能であれば如何なる製造方法を用いることも可能である。 As a method for producing the heteroacene derivative used in the present invention, any production method can be used as long as the heteroacene derivative can be produced.
例えば、置換基R1及びR2が炭素数2〜20のアルキル基、並びに置換基R3〜R9が水素であるヘテロアセン誘導体を製造する場合、ザ ジャーナル オブ オーガニック ケミストリー、1985年、50巻、3104〜3110頁に記載の手法(下記反応スキーム(A)の工程を経る製造方法)、及び下記(B)〜(D)の工程を経る製造方法により、ヘテロアセン誘導体を製造することができる。
(A)工程;濃硫酸中、1,3−ジブロモベンゼンとヨウ素から1,5−ジブロモ−2,4−ジヨードベンゼンを製造する工程。
(B)工程;パラジウム触媒の存在下、2−アルキル−5−ブロモチオフェンから誘導された2−アルキルチオフェン−5−亜鉛誘導体と、(A)工程により得られた1,5−ジブロモ−2,4−ジヨードベンゼンから1,5−ジブロモ−2,4−ジ(5−アルキルチオフェン−2−イル)ベンゼンを製造する工程。
(C)工程;パラジウム/銅触媒の存在下、(B)工程により得られた1,5−ジブロモ−2,4−ジ(5−アルキルチオフェン−2−イル)ベンゼンとトリメチルシリルアセチレンの薗頭カップリング及び脱トリメチルシリル反応により1,5−ジエチニル−2,4−ジ(5−アルキルチオフェン−2−イル)ベンゼンを製造する工程。
(D)工程;ルテニウム触媒の存在下、(C)工程により得られた1,5−ジエチニル−2,4−ジ(5−アルキルチオフェン−2−イル)ベンゼンの分子内環化によりヘテロアセン誘導体(1a)を製造する工程。
そして、反応工程数が少ないことから好ましいより具体的な製造方法を以下の反応スキームに示す。
For example, when producing a heteroacene derivative in which the substituents R 1 and R 2 are alkyl groups having 2 to 20 carbon atoms and the substituents R 3 to R 9 are hydrogen, The Journal of Organic Chemistry, 1985, Volume 50, A heteroacene derivative can be produced by the method described in pages 3104 to 3110 (a production method through the steps of the following reaction scheme (A)) and a production method through the following steps (B) to (D).
Step (A): A step of producing 1,5-dibromo-2,4-diiodobenzene from 1,3-dibromobenzene and iodine in concentrated sulfuric acid.
(B) step; 2-alkylthiophene-5-zinc derivative derived from 2-alkyl-5-bromothiophene in the presence of a palladium catalyst, and 1,5-dibromo-2, obtained by step (A) A step of producing 1,5-dibromo-2,4-di (5-alkylthiophen-2-yl) benzene from 4-diiodobenzene.
(C) Step; Sonogashira Cup of 1,5-dibromo-2,4-di (5-alkylthiophen-2-yl) benzene and trimethylsilylacetylene obtained by (B) step in the presence of palladium / copper catalyst A step of producing 1,5-diethynyl-2,4-di (5-alkylthiophen-2-yl) benzene by a ring and detrimethylsilyl reaction.
Step (D): In the presence of a ruthenium catalyst, heteroacene derivative (1) is obtained by intramolecular cyclization of 1,5-diethynyl-2,4-di (5-alkylthiophen-2-yl) benzene obtained in Step (C). The step of producing 1a).
And since the number of reaction steps is small, a more specific production method which is preferable is shown in the following reaction scheme.
ここで、(A)〜(D)工程の詳細を以下に示す。
Here, the details of the steps (A) to (D) are shown below.
ここで、該反応スキームにおける(A)工程は、濃硫酸中、1,3−ジブロモベンゼンとヨウ素から1,5−ジブロモ−2,4−ジヨードベンゼンを製造する工程である。反応温度としては、50℃〜150℃の範囲内で実施することができる。 Here, step (A) in the reaction scheme is a step of producing 1,5-dibromo-2,4-diiodobenzene from 1,3-dibromobenzene and iodine in concentrated sulfuric acid. As reaction temperature, it can implement within the range of 50 to 150 degreeC.
該反応スキームにおける(B)工程は、パラジウム触媒の存在下、2−アルキル−5−ブロモチオフェンから誘導された2−アルキルチオフェン−5−亜鉛誘導体と、(A)工程により得られた1,5−ジブロモ−2,4−ジヨードベンゼンから1,5−ジブロモ−2,4−ジ(5−アルキルチオフェン−2−イル)ベンゼンを製造する工程である。 Step (B) in the reaction scheme includes a 2-alkylthiophene-5-zinc derivative derived from 2-alkyl-5-bromothiophene in the presence of a palladium catalyst and 1,5 obtained by step (A). A process for producing 1,5-dibromo-2,4-di (5-alkylthiophen-2-yl) benzene from dibromo-2,4-diiodobenzene.
パラジウム触媒としては、例えば、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム等を挙げることができ、反応温度としては、20℃〜80℃の範囲内で実施することができる。 Examples of the palladium catalyst include tetrakis (triphenylphosphine) palladium, dichlorobis (triphenylphosphine) palladium and the like, and the reaction temperature can be carried out within a range of 20 ° C to 80 ° C.
2−アルキルチオフェン−5−亜鉛誘導体は、例えば、n−ブチルリチウム、tert−ブチルリチウム等の有機金属試薬を用い、2−アルキル−5−ブロモチオフェンの5位の臭素をリチウムに交換後(モノリチウム塩の調製)、塩化亜鉛と金属交換することで調製することができる。また、該有機金属試薬の代わりにマグネシウム金属を用い、2−アルキル−5−ブロモチオフェンのグリニャール試薬を調製し塩化亜鉛と金属交換する方法も可能である。 The 2-alkylthiophene-5-zinc derivative is obtained by exchanging bromine at the 5-position of 2-alkyl-5-bromothiophene with lithium using an organic metal reagent such as n-butyllithium or tert-butyllithium (mono). Preparation of lithium salt) and metal exchange with zinc chloride. Alternatively, a magnesium metal can be used in place of the organometallic reagent to prepare a Grignard reagent of 2-alkyl-5-bromothiophene, and metal exchange with zinc chloride is possible.
2−アルキル−5−ブロモチオフェンのモノリチウム塩を調製する条件としては、例えば、テトラヒドロフラン(以後、THFと記す。)又はジエチルエーテル等の溶媒中、−80℃〜20℃の温度範囲内で実施することができる。該モノリチウム塩の溶液に塩化亜鉛を反応させるのに際して、塩化亜鉛はそのままの状態でもよいし、THFまたはジエチルエーテル溶液であってもかまわない。該モノリチウム塩と塩化亜鉛との反応の温度としては、−80℃〜30℃の範囲内で実施できる。 The conditions for preparing the monolithium salt of 2-alkyl-5-bromothiophene are, for example, carried out in a temperature range of −80 ° C. to 20 ° C. in a solvent such as tetrahydrofuran (hereinafter referred to as THF) or diethyl ether. can do. When zinc chloride is reacted with the monolithium salt solution, the zinc chloride may be used as it is, or it may be a THF or diethyl ether solution. The temperature of the reaction between the monolithium salt and zinc chloride can be carried out within a range of -80 ° C to 30 ° C.
該反応スキームにおける(C)工程は、パラジウム/銅触媒の存在下、(B)工程により得られた1,5−ジブロモ−2,4−ジ(5−アルキルチオフェン−2−イル)ベンゼンとトリメチルシリルアセチレンの薗頭カップリング及び脱トリメチルシリル反応により1,5−ジエチニル−2,4−ジ(5−アルキルチオフェン−2−イル)ベンゼンを製造する工程である。 Step (C) in the reaction scheme is carried out in the presence of a palladium / copper catalyst in the presence of 1,5-dibromo-2,4-di (5-alkylthiophen-2-yl) benzene and trimethylsilyl obtained in step (B). In this process, 1,5-diethynyl-2,4-di (5-alkylthiophen-2-yl) benzene is produced by Sonogashira coupling of acetylene and detrimethylsilyl reaction.
その際のパラジウム触媒としては、例えば、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム等が挙げられ、銅触媒としてはヨウ化銅(I)、臭化銅(I)、塩化銅(I)等を挙げることができる。また、該薗頭カップリングは、トリエチルアミン、ピリジン、トルエン、THF等の溶媒中、20℃〜80℃の温度範囲で実施することができる。 In this case, examples of the palladium catalyst include tetrakis (triphenylphosphine) palladium, dichlorobis (triphenylphosphine) palladium, and the copper catalyst includes copper iodide (I), copper bromide (I), copper chloride. (I) etc. can be mentioned. The Sonogashira coupling can be carried out in a temperature range of 20 ° C. to 80 ° C. in a solvent such as triethylamine, pyridine, toluene, and THF.
脱トリメチルシリル反応は、テトラブチルアンモニウムフルオライド、希塩酸等の脱シリル剤を用い、THF、トルエン、ジクロロメタン等の溶媒中、0℃〜50℃の温度範囲で実施することができる。 The detrimethylsilyl reaction can be carried out using a desilylating agent such as tetrabutylammonium fluoride and dilute hydrochloric acid in a solvent such as THF, toluene, dichloromethane and the like in a temperature range of 0 ° C to 50 ° C.
該反応スキームにおける(D)工程は、ルテニウム触媒の存在下、(C)工程により得られた1,5−ジエチニル−2,4−ジ(5−アルキルチオフェン−2−イル)ベンゼンの分子内環化によりヘテロアセン誘導体(1a)を製造する工程である。 In step (D) in the reaction scheme, an intramolecular ring of 1,5-diethynyl-2,4-di (5-alkylthiophen-2-yl) benzene obtained in step (C) in the presence of a ruthenium catalyst. This is a process for producing a heteroacene derivative (1a) by crystallization.
ルテニウム触媒は、例えば、トリフェニルホスフィン(シメン)塩化ルテニウム錯体等を挙げることができ、分子内環化は、1,2−ジクロロエタン等の溶媒中、20〜100℃の温度範囲で実施することができる。なお、反応促進のためヘキサフルオロりん酸アンモニウムを共存させることが好ましい。 Examples of the ruthenium catalyst include a triphenylphosphine (cymene) ruthenium chloride complex, and the intramolecular cyclization can be carried out in a temperature range of 20 to 100 ° C. in a solvent such as 1,2-dichloroethane. it can. In addition, it is preferable to coexist ammonium hexafluorophosphate for promoting the reaction.
さらに、製造したヘテロアセン誘導体は、カラムクロマトグラフィー等に供することにより精製することができ、その際の分離剤としては、例えば、シリカゲル、活性アルミナ、溶媒としては、ヘキサン、ヘプタン、トルエン、ジクロロメタン、クロロホルム等を挙げることができる。 Furthermore, the produced heteroacene derivative can be purified by subjecting it to column chromatography or the like, and as a separating agent at that time, for example, silica gel, activated alumina, and as a solvent, hexane, heptane, toluene, dichloromethane, chloroform Etc.
製造したヘテロアセン誘導体は、活性炭、ゼオライト、活性白土等に供することにより溶液中で脱色精製することができ、このときの溶媒としては、ヘキサン、ヘプタン、トルエン、ジクロロメタン、クロロホルム等を挙げることができる。 The produced heteroacene derivative can be decolorized and purified in a solution by subjecting it to activated carbon, zeolite, activated clay, etc. Examples of the solvent include hexane, heptane, toluene, dichloromethane, chloroform and the like.
また、製造したヘテロアセン誘導体は、さらに再結晶により精製してもよく、再結晶の回数としては、純度及び収率向上のため、好ましくは2〜5回である。再結晶に用いる溶媒としては、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、トルエン、キシレン、クロロホルム、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等を挙げることができ、これらの任意の割合の混合物であってもよい。再結晶法としては、加熱によりヘテロアセン誘導体の溶液を調製し(その際の溶液の濃度は、不純物を効率よく除去するため、0.01〜10.0重量%の範囲が好ましく、0.05〜5.0重量%の範囲がさらに好ましい。)、該溶液を冷却することでヘテロアセン誘導体の結晶を析出させ単離するが、単離する際の最終的な冷却温度は、純度及び回収率向上のため、−20℃から40℃の範囲にあることが好ましい。なお、純度を測定する際には液体クロマトグラフィーにより分析することが可能である。 Further, the produced heteroacene derivative may be further purified by recrystallization, and the number of recrystallizations is preferably 2 to 5 times in order to improve the purity and yield. Examples of the solvent used for recrystallization include hexane, heptane, octane, toluene, xylene, chloroform, chlorobenzene, dichlorobenzene, and the like, and a mixture of any ratio thereof may be used. As the recrystallization method, a solution of a heteroacene derivative is prepared by heating (the concentration of the solution at that time is preferably in the range of 0.01 to 10.0% by weight in order to efficiently remove impurities, The range of 5.0% by weight is further preferred.) By cooling the solution, crystals of the heteroacene derivative are precipitated and isolated, but the final cooling temperature at the time of isolation is to improve purity and recovery. Therefore, it is preferably in the range of −20 ° C. to 40 ° C. In addition, when measuring purity, it is possible to analyze by liquid chromatography.
本発明のヘテロアセン誘導体は、適当な溶媒に溶解させることで有機半導体層形成用溶液とすることができる。該溶媒としては、一般式(1)で示されるヘテロアセン誘導体を溶解することが可能な溶媒であれば如何なる溶媒を使用してもよく、有機半導体層を形成する際、溶媒の乾燥速度を好適なものとすることができることから、常圧での沸点が100℃以上である有機溶媒が好ましい。 The heteroacene derivative of the present invention can be made into a solution for forming an organic semiconductor layer by dissolving in a suitable solvent. As the solvent, any solvent may be used as long as it can dissolve the heteroacene derivative represented by the general formula (1), and when the organic semiconductor layer is formed, the drying rate of the solvent is preferably set. An organic solvent having a boiling point of 100 ° C. or higher at normal pressure is preferable.
本発明で用いることが可能な溶媒として、特に制限はなく、例えば、トルエン、メシチレン、o−キシレン、イソプロピルベンゼン、ペンチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、1,2,4−トリメチルベンゼン、テトラリン、インダン等の芳香族炭化水素類;アニソール、2−メチルアニソール、3−メチルアニソール、2,3−ジメチルアニソール、3,4−ジメチルアニソール、2,6−ジメチルアニソール、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、1,2−メチレンジオキシベンゼン、1,2−エチレンジオキシベンゼン等の芳香族エーテル類;クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、1,3−ジクロロベンゼン、1,4−ジクロロベンゼン等の芳香族ハロゲン化合物;シクロヘキサン、オクタン、デカン、ドデカン、デカリン等の飽和炭化水素類;ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジアセテート、ジプロピレングリコールメチル−n−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート、1,4−ブタンジオールジアセテート、1,3−ブチレングリコールジアセテート、1,6−ヘキサンジオールジアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等のグリコール類;酢酸フェニル、シクロヘキサノールアセテート、3−メトキシブチルアセテート等のエステル類などを挙げられることができ、その中でも適度な乾燥速度を持つことから、好ましくはトルエン、o−キシレン、メシチレン、1,2,4−トリメチルベンゼン、テトラリン、インダン、アニソール、2−メチルアニソール、3−メチルアニソール、2,3−ジメチルアニソール、3,4−ジメチルアニソール、2,6−ジメチルアニソール、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、1,2−メチレンジオキシベンゼン、1,2−エチレンジオキシベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、1,3−ジクロロベンゼン、1,4−ジクロロベンゼンであり、さらに好ましくは、トルエン、o−キシレン、メシチレン、テトラリン、インダン、アニソール、2−メチルアニソール、3−メチルアニソール、2,3−ジメチルアニソール、3,4−ジメチルアニソール、2,6−ジメチルアニソールである。 There is no restriction | limiting in particular as a solvent which can be used by this invention, For example, aromatic, such as toluene, mesitylene, o-xylene, isopropylbenzene, pentylbenzene, cyclohexylbenzene, 1,2,4-trimethylbenzene, tetralin, indane Group hydrocarbons: anisole, 2-methylanisole, 3-methylanisole, 2,3-dimethylanisole, 3,4-dimethylanisole, 2,6-dimethylanisole, ethylphenylether, butylphenylether, 1,2- Aromatic ethers such as methylenedioxybenzene and 1,2-ethylenedioxybenzene; aromatic halogen compounds such as chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 1,3-dichlorobenzene and 1,4-dichlorobenzene; cyclohexane , Octane, decane, de Saturated hydrocarbons such as can and decalin; dipropylene glycol dimethyl ether, dipropylene glycol diacetate, dipropylene glycol methyl-n-propyl ether, dipropylene glycol methyl ether acetate, 1,4-butanediol diacetate, 1,3 -Glycols such as butylene glycol diacetate, 1,6-hexanediol diacetate, ethylene glycol monomethyl ether acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, ethylene glycol monobutyl ether acetate, diethylene glycol monoethyl ether acetate, diethylene glycol monobutyl ether acetate; phenyl acetate , Cyclohexanol acetate, 3-methoxybutyl acetate, etc. Among them, among them, since it has an appropriate drying rate, preferably toluene, o-xylene, mesitylene, 1,2,4-trimethylbenzene, tetralin, indane, anisole, 2-methylanisole, 3-methylanisole, 2,3-dimethylanisole, 3,4-dimethylanisole, 2,6-dimethylanisole, ethylphenyl ether, butylphenyl ether, 1,2-methylenedioxybenzene, 1,2-ethylenedioxy Benzene, 1,2-dichlorobenzene, 1,3-dichlorobenzene, 1,4-dichlorobenzene, more preferably toluene, o-xylene, mesitylene, tetralin, indane, anisole, 2-methylanisole, 3- Methyl anisole, 2,3-dimethyl aniso And 3,4-dimethylanisole and 2,6-dimethylanisole.
なお、本発明で用いる溶媒は、1種類の溶媒を単独で使用することができ、沸点、極性、溶解度パラメーターなど性質の異なる溶媒を2種類以上混合して使用することも可能である。 In addition, the solvent used by this invention can use one type of solvent independently, It is also possible to mix and use two or more types of solvents from which properties differ, such as a boiling point, a polarity, and a solubility parameter.
一般式(1)で示されるヘテロアセン誘導体を溶媒に混合溶解する際の温度としては、溶解を促進させる目的のため、0〜80℃の温度範囲で行うことが好ましく、10〜60℃の温度範囲で行うことが更に好ましい。 As the temperature at which the heteroacene derivative represented by the general formula (1) is mixed and dissolved in a solvent, it is preferably performed in a temperature range of 0 to 80 ° C. for the purpose of promoting dissolution, and a temperature range of 10 to 60 ° C. More preferably,
また、一般式(1)で示されるヘテロアセン誘導体を有機溶媒に溶解混合する時間は、均一溶液を得るため、1分〜1時間で溶解することが好ましい。 In addition, the time for dissolving and mixing the heteroacene derivative represented by the general formula (1) in an organic solvent is preferably 1 minute to 1 hour in order to obtain a uniform solution.
本発明では本発明の有機半導体層形成用溶液における一般式(1)で示されるヘテロアセン誘導体の濃度が0.1〜10.0重量%の範囲であると、取り扱いが容易になり、有機半導体層を形成する際の効率により優れるものとなる。また、有機半導体層形成用溶液の粘度が0.3〜10mPa・sの範囲であると、より好適な塗工性を発現するものとなる。 In the present invention, when the concentration of the heteroacene derivative represented by the general formula (1) in the organic semiconductor layer forming solution of the present invention is in the range of 0.1 to 10.0% by weight, the handling becomes easy. It becomes more excellent in the efficiency at the time of forming. Moreover, when the viscosity of the solution for forming an organic semiconductor layer is in the range of 0.3 to 10 mPa · s, more suitable coating properties are exhibited.
なお該溶液は、該ヘテロアセン誘導体自体が適度の凝集性を有することから比較的に低温で調製することが可能、且つ耐酸化性があることから、塗布法による有機薄膜の製造に好適に適用できる。即ち、雰囲気から空気を除く必要がないことから塗布工程を簡略化することができる。さらに該溶液は、例えば、ポリスチレン、ポリ(α−メチルスチレン)、ポリビニルナフタレン、エチレン−ノルボルネンコポリマー、ポリフェニレンエーテル、ポリメチルメタクリレート、ポリアリールアミン、ポリフルオレン等のポリマーをバインダーとして存在させることもできる。これらのポリマーバインダーの濃度は、適度な溶液の粘度のため、0.1〜10.0重量%であることが好ましい。また、ポリマーをバインダーとして存在させるときの溶液は、優れた塗布性を有することから、0.5〜50mPa・sの範囲の粘度にあることが好ましい。 The solution can be suitably applied to the production of an organic thin film by a coating method because it can be prepared at a relatively low temperature because the heteroacene derivative itself has an appropriate cohesive property and has oxidation resistance. . That is, since it is not necessary to remove air from the atmosphere, the coating process can be simplified. Further, the solution may contain, for example, a polymer such as polystyrene, poly (α-methylstyrene), polyvinyl naphthalene, ethylene-norbornene copolymer, polyphenylene ether, polymethyl methacrylate, polyarylamine, polyfluorene as a binder. The concentration of these polymer binders is preferably 0.1 to 10.0% by weight for an appropriate solution viscosity. Moreover, since the solution when making a polymer exist as a binder has the outstanding applicability | paintability, it is preferable that it is the viscosity of the range of 0.5-50 mPa * s.
本発明の有機半導体層形成用溶液を用いて有機半導体層を形成する際の塗布方法としては、有機半導体層を形成可能な方法であれば特に制限はなく、例えば、スピンコート、ドロップキャスト、ディップコート、キャストコート等の簡易塗工法;ディスペンサー、インクジェット、スリットコート、ブレードコート、フレキソ印刷、スクリーン印刷、グラビア印刷、オフセット印刷等の印刷法を挙げることができ、中でも容易に効率よく有機半導体層とすることが可能となることから、スピンコート、インクジェットであることが好ましい。 The coating method for forming the organic semiconductor layer using the organic semiconductor layer forming solution of the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of forming the organic semiconductor layer. For example, spin coating, drop cast, dip Simple coating methods such as coating, cast coating, etc .; printing methods such as dispenser, inkjet, slit coating, blade coating, flexographic printing, screen printing, gravure printing, offset printing, etc. can be mentioned. Therefore, spin coating and ink jet are preferable.
本発明の有機半導体層形成用溶液を塗布後、溶媒を乾燥除去することにより有機半導体層を形成することが可能である。 After applying the organic semiconductor layer forming solution of the present invention, the organic semiconductor layer can be formed by drying and removing the solvent.
塗布した有機半導体層から溶媒を乾燥除去する際、乾燥する条件に特に制限はなく、例えば、常圧下、又は減圧下で溶媒の乾燥除去を行うことが可能である。 When the solvent is dried and removed from the applied organic semiconductor layer, the drying conditions are not particularly limited. For example, the solvent can be removed by drying under normal pressure or reduced pressure.
塗布した有機半導体層から有機溶媒を乾燥除去する温度に特に制限はないが、効率よく塗布した有機半導体層から有機溶媒を乾燥除去することができ、有機半導体層を形成することが可能であるため、10〜150℃の温度範囲で行うことが好ましい。 Although there is no restriction | limiting in particular in the temperature which dry-removes an organic solvent from the apply | coated organic-semiconductor layer, Since an organic solvent can be efficiently removed by dry-dry from the apply | coated organic-semiconductor layer, an organic-semiconductor layer can be formed. , Preferably in the temperature range of 10 to 150 ° C.
塗布した有機半導体層から有機溶媒を乾燥除去する際、除去する有機溶媒の気化速度を調節することで、一般式(1)で示されるヘテロアセン誘導体の結晶成長を制御することが可能である。 When the organic solvent is dried and removed from the applied organic semiconductor layer, crystal growth of the heteroacene derivative represented by the general formula (1) can be controlled by adjusting a vaporization rate of the organic solvent to be removed.
本発明の有機半導体層形成用溶液により形成される有機半導体層の膜厚に制限はなく、良好なキャリア移動が得られることから、1nm〜1μmの範囲であることが好ましく、10nm〜300nmの範囲であることが更に好ましい。 The film thickness of the organic semiconductor layer formed by the organic semiconductor layer forming solution of the present invention is not limited, and good carrier movement is obtained. Therefore, it is preferably in the range of 1 nm to 1 μm, and in the range of 10 nm to 300 nm. More preferably.
また、得られる有機半導体層は、有機半導体層を形成後、40〜180℃でアニール処理を行ってもよい。 The obtained organic semiconductor layer may be annealed at 40 to 180 ° C. after forming the organic semiconductor layer.
本発明の有機半導体層形成用溶液より形成される有機半導体層は、有機半導体デバイス、特に有機薄膜トランジスタの有機半導体層として使用することが可能である。 The organic semiconductor layer formed from the organic semiconductor layer forming solution of the present invention can be used as an organic semiconductor layer of an organic semiconductor device, particularly an organic thin film transistor.
有機薄膜トランジスタは、基板上に、ソース電極及びドレイン電極を付設した有機半導体層とゲート電極とを絶縁層を介し積層することにより得ることができ、該有機半導体層に本発明の有機半導体層形成用溶液により形成した有機半導体層を用いることにより、優れた半導体・電気特性を発現する有機薄膜トランジスタとすることが可能である。 The organic thin film transistor can be obtained by laminating an organic semiconductor layer provided with a source electrode and a drain electrode and a gate electrode on a substrate via an insulating layer, and the organic semiconductor layer is formed on the organic semiconductor layer according to the present invention. By using an organic semiconductor layer formed of a solution, an organic thin film transistor that exhibits excellent semiconductor and electrical characteristics can be obtained.
図1に一般的な有機薄膜トランジスタの断面形状による構造を示す。ここで、(A)は、ボトムゲート−トップコンタクト型、(B)は、ボトムゲート−ボトムコンタクト型、(C)は、トップゲート−トップコンタクト型、(D)は、トップゲート−ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタであり、1は有機半導体層、2は基板、3はゲート電極、4はゲート絶縁層、5はソース電極、6はドレイン電極を示し、本発明の有機半導体層形成用溶液より形成される有機半導体層は、いずれの有機薄膜トランジスタにも適用することが可能である。 FIG. 1 shows a structure of a general organic thin film transistor by a sectional shape. Here, (A) is a bottom gate-top contact type, (B) is a bottom gate-bottom contact type, (C) is a top gate-top contact type, and (D) is a top gate-bottom contact type. 1 is an organic semiconductor layer, 2 is a substrate, 3 is a gate electrode, 4 is a gate insulating layer, 5 is a source electrode, 6 is a drain electrode, and is formed from the organic semiconductor layer forming solution of the present invention. The organic semiconductor layer to be applied can be applied to any organic thin film transistor.
本発明に係る基板としては特に制限はなく、例えば、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、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、環状ポリオレフィン、フッ素化環状ポリオレフィン、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリ(ジイソプロピルフマレート)、ポリ(ジエチルフマレート)、ポリ(ジイソプロピルマレエート)、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、セルローストリアセテート等のプラスチック基板;ガラス、石英、酸化アルミニウム、シリコン、ハイドープシリコン、酸化シリコン、二酸化タンタル、五酸化タンタル、インジウム錫酸化物等の無機材料基板;金、銅、クロム、チタン、アルミニウム等の金属基板等を挙げることができる。なお、ハイドープシリコンを基板に用いた場合、その基板はゲート電極を兼ねることができる。 The substrate according to the present invention is not particularly limited. For example, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethylene, polypropylene, polystyrene, cyclic polyolefin, fluorinated cyclic polyolefin, polyimide, polycarbonate, polyvinylphenol, Plastic substrates such as polyvinyl alcohol, poly (diisopropyl fumarate), poly (diethyl fumarate), poly (diisopropyl maleate), polyethersulfone, polyphenylene sulfide, cellulose triacetate; glass, quartz, aluminum oxide, silicon, highly doped silicon Inorganic material substrates such as silicon oxide, tantalum dioxide, tantalum pentoxide, and indium tin oxide; gold, copper, chromium Titanium, mention may be made of metal such as aluminum substrate, or the like. When highly doped silicon is used for the substrate, the substrate can also serve as the gate electrode.
本発明に係るゲート電極としては特に制限はなく、例えば、アルミニウム、金、銀、銅、ハイドープシリコン、スズ酸化物、酸化インジウム、インジウムスズ酸化物、クロム、チタン、タンタル、グラフェン、カーボンナノチューブ等の無機材料;ドープされた導電性高分子(例えばPEDOT−PSS)等の有機材料を挙げることができる。 The gate electrode according to the present invention is not particularly limited. For example, aluminum, gold, silver, copper, highly doped silicon, tin oxide, indium oxide, indium tin oxide, chromium, titanium, tantalum, graphene, carbon nanotube, etc. And inorganic materials such as doped conductive polymers (eg, PEDOT-PSS).
また、上記の無機材料は、金属のナノ粒子インクとしても差し支えなく使用することができる。この場合の溶媒は、適度の分散性のため、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール等の極性溶媒;ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、テトラデカン等の炭素数6〜14の脂肪族炭化水素溶媒;トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、ペンチルベンゼン、ヘキシルベンゼン、オクチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、テトラリン、インダン、アニソール、1,2−ジメトキシベンゼン、1,3−ジメトキシベンゼン、1,2−ジメチルアニソール、2,3−ジメチルアニソール、3,4−ジメチルアニソール等の炭素数7〜14の芳香族炭化水素溶媒であることが好ましい。該ナノ粒子インクを塗布後、導電性向上のため、80℃〜200℃の温度範囲でアニール処理することが好ましい。
The inorganic material can be used as a metal nanoparticle ink. In this case, the solvent is a polar solvent such as water, methanol, ethanol, isopropanol, 1-butanol, and 2-butanol for moderate dispersibility;
本発明に係るゲート絶縁層としては特に制限はなく、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタン、二酸化タンタル、五酸化タンタル、インジウム錫酸化物、酸化スズ、酸化バナジウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス等の無機材料;ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリ(ジイソプロピルフマレート)、ポリ(ジエチルフマレート)、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、ポリけい皮酸エチル、ポリけい皮酸メチル、ポリクロトン酸エチル、ポリエーテルスルホン、ポリプロピレン−コ−1−ブテン、ポリイソブチレン、ポリプロピレン、ポリシクロペンタン、ポリシクロヘキサン、ポリシクロヘキサン−エチレン共重合体、ポリフッ素化シクロペンタン、ポリフッ素化シクロヘキサン、ポリフッ素化シクロヘキサン−エチレン共重合体、BCB樹脂(ダウケミカル社製(商品名:サイクロテン))、Cytop(商標)、Teflon(商標)、パリレンC等のパリレン(商標)類、のポリマー絶縁材料を挙げることができ、製法が簡便であることから、塗布法が適用できるポリマー絶縁材料(ポリマーゲート絶縁層)であることが好ましい。 The gate insulating layer according to the present invention is not particularly limited. For example, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, titanium oxide, tantalum dioxide, tantalum pentoxide, indium tin oxide, tin oxide, vanadium oxide, titanium Inorganic materials such as barium acid and bismuth titanate; polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyimide, polycarbonate, polyvinyl phenol, polyvinyl alcohol, poly (diisopropyl fumarate), poly (diethyl fumarate), polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, Polyethyl cinnamate, polymethyl cinnamate, ethyl polycrotonate, polyethersulfone, polypropylene-co-1-butene, polyisobutylene, polypropylene, polycyclopentane Polycyclohexane, polycyclohexane-ethylene copolymer, polyfluorinated cyclopentane, polyfluorinated cyclohexane, polyfluorinated cyclohexane-ethylene copolymer, BCB resin (manufactured by Dow Chemical (trade name: Cycloten)), Cytop ( (Trademarks), Teflon (trademark), Parylene (trademarks) such as Parylene C, and the like, and because the manufacturing method is simple, a polymer insulation material (polymer gate insulation layer) to which a coating method can be applied It is preferable that
該ポリマー材料を溶解させるに用いる溶媒としては特に制限がなく、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、テトラデカン等の炭素数6〜14の脂肪族炭化水素溶媒;THF、1,2−ジメトキシエタン、ジオキサン等のエーテル系溶媒;エタノール、イソプロピルアルコール、1−ブタノール、2−ブタノール、2−エチルヘキサノール等のアルコール系溶媒;アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセトフェノン等のケトン系溶媒;酢酸エチル、γ−ブチロラクトン、シクロヘキサノールアセテート、3−メトキシブチルアセテート等のエステル系溶媒;ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン等のアミド系溶媒;ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジアセテート、ジプロピレングリコールメチル−n−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート、1,4−ブタンジオールジアセテート、1,3−ブチレングリコールジアセテート、1,3−ブチレングリコールジアセテート、1,6−ヘキサンジオールジアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等のグリコール系溶媒;パーフルオロヘキサン、パーフルオロオクタン、2−(ペンタフルオロエチル)ヘキサン、3−(ペンタフルオロエチル)ヘプタン等のフッ素化溶媒等が挙げられる。 There is no restriction | limiting in particular as a solvent used for melt | dissolving this polymer material, For example, C6-C14 aliphatic hydrocarbon solvents, such as hexane, heptane, octane, decane, dodecane, tetradecane; THF, 1, 2- dimethoxy Ether solvents such as ethane and dioxane; alcohol solvents such as ethanol, isopropyl alcohol, 1-butanol, 2-butanol and 2-ethylhexanol; ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone, diisopropyl ketone and acetophenone; acetic acid Ester solvents such as ethyl, γ-butyrolactone, cyclohexanol acetate and 3-methoxybutyl acetate; Amides solvents such as dimethylformamide and N-methylpyrrolidone; Dipropylene glycol dimethyl ether and dipropylene Glycol diacetate, dipropylene glycol methyl-n-propyl ether, dipropylene glycol methyl ether acetate, 1,4-butanediol diacetate, 1,3-butylene glycol diacetate, 1,3-butylene glycol diacetate, 1, Glycol solvents such as 6-hexanediol diacetate, ethylene glycol monomethyl ether acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, ethylene glycol monobutyl ether acetate, diethylene glycol monoethyl ether acetate, diethylene glycol monobutyl ether acetate; perfluorohexane, perfluorooctane, 2 -(Pentafluoroethyl) hexane, 3- (pentafluoroethyl) heptane, etc. Examples include fluorinated solvents.
該ポリマー絶縁材料の濃度は、例えば、20〜40℃の温度において0.1〜10.0重量%である。当該濃度において得られる絶縁層の膜厚に制限はなく、耐絶縁性の観点から、好ましくは100nm〜1μm、さらに好ましくは150nm〜900nmである。 The concentration of the polymer insulating material is, for example, 0.1 to 10.0% by weight at a temperature of 20 to 40 ° C. There is no restriction | limiting in the film thickness of the insulating layer obtained in the said density | concentration, From a viewpoint of insulation resistance, Preferably it is 100 nm-1 micrometer, More preferably, it is 150 nm-900 nm.
そして、これらのゲート絶縁層の表面は、例えば、オクタデシルトリクロロシラン、デシルトリクロロシラン、デシルトリメトキシシラン、オクチルトリクロロシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、β−フェネチルトリクロロシラン、β−フェネチルトリメトキシシラン、フェニルトリクロロシラン、フェニルトリメトキシシラン等のシラン類;オクタデシルホスホン酸、デシルホスホン酸、オクチルホスホン酸等のホスホン酸類;ヘキサメチルジシラザン等のシリルアミン類で修飾処理したものであっても使用することができる。一般的にゲート絶縁層の表面処理を行うことにより、有機半導体材料の結晶粒径の増大及び分子配向の向上のため、キャリア移動度、電流オン・オフ比の向上、及び閾値電圧の低下という好ましい結果が得られる。 The surfaces of these gate insulating layers are, for example, octadecyltrichlorosilane, decyltrichlorosilane, decyltrimethoxysilane, octyltrichlorosilane, octadecyltrimethoxysilane, β-phenethyltrichlorosilane, β-phenethyltrimethoxysilane, phenyltri Silanes such as chlorosilane and phenyltrimethoxysilane; phosphonic acids such as octadecylphosphonic acid, decylphosphonic acid and octylphosphonic acid; and those modified with silylamines such as hexamethyldisilazane can also be used. In general, the surface treatment of the gate insulating layer is preferable in order to increase the crystal grain size and molecular orientation of the organic semiconductor material, and to improve carrier mobility, current on / off ratio, and threshold voltage. Results are obtained.
本発明の有機薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極の材料としては特に制限がなく、ゲート電極と同様の材料を用いることができ、ゲート電極の材料と同じであっても異なっていてもよく、異種材料を積層してもよい。また、キャリアの注入効率を上げるために、これらの電極材料に表面処理を実施することもできる。表面処理に用いる表明処理剤としては、例えば、ベンゼンチオール、ペンタフルオロベンゼンチオール、4−フルオロベンゼンチオール、4−メトキシベンゼンチオール等を挙げることができる。 The material of the source electrode and the drain electrode of the organic thin film transistor of the present invention is not particularly limited, and the same material as the gate electrode can be used, which may be the same as or different from the material of the gate electrode. May be laminated. In order to increase the carrier injection efficiency, surface treatment can be performed on these electrode materials. Examples of the manifestation treatment agent used for the surface treatment include benzenethiol, pentafluorobenzenethiol, 4-fluorobenzenethiol, 4-methoxybenzenethiol, and the like.
本発明の有機薄膜トランジスタは、速い動作性のため、キャリア移動度が、0.5cm2/V・s以上であることが好ましい。また、高いスイッチ特性のため、電流オン・オフ比が、1.0×106以上であることが好ましい。 The organic thin film transistor of the present invention preferably has a carrier mobility of 0.5 cm 2 / V · s or more for fast operation. In addition, the current on / off ratio is preferably 1.0 × 10 6 or more for high switching characteristics.
本発明の有機薄膜トランジスタは、電子ペーパー、有機ELディスプレイ、液晶ディスプレイ、ICタグ(RFIDタグ)、圧力センサー、バイオセンサー等のトランジスタの有機半導体層用途;有機ELディスプレイ材料;有機半導体レーザー材料;有機薄膜太陽電池材料;フォトニック結晶材料等の電子材料に利用することができ、一般式(1)で示されるヘテロアセン誘導体が結晶性の薄膜となるため、有機薄膜トランジスタの半導体層用途として用いられることが好ましい。 The organic thin film transistor of the present invention is used for organic semiconductor layers of transistors such as electronic paper, organic EL display, liquid crystal display, IC tag (RFID tag), pressure sensor, biosensor, etc .; organic EL display material; organic semiconductor laser material; It can be used for solar cell materials; electronic materials such as photonic crystal materials, and the heteroacene derivative represented by the general formula (1) is a crystalline thin film. Therefore, it is preferably used as a semiconductor layer for organic thin film transistors. .
本発明の新規なヘテロアセン誘導体は、高いキャリア移動度を与えると共に、高溶解性及び高耐酸化性を持っていることから、塗布で優れた半導体特性を発現する有機薄膜トランジスタを提供することが可能となり、その効果は極めて高いものである。 The novel heteroacene derivative of the present invention provides high carrier mobility and high solubility and high oxidation resistance. Therefore, it is possible to provide an organic thin film transistor that exhibits excellent semiconductor characteristics upon coating. The effect is extremely high.
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.
生成物の同定にはマススペクトル(MS)、ガスクロマトフラフィー−マススペクトル(GCMS)、及び液体クロマトグラフィー−マススペクトル(LCMS)分析を用いた。 The product was identified by mass spectrum (MS), gas chromatography-mass spectrum (GCMS), and liquid chromatography-mass spectrum (LCMS) analysis.
<マススペクトル(MS)分析>
装置;日本電子製、(商品名)JEOL JMS−700
MSイオン化;電子衝突(EI)法(70エレクトロンボルト)
試料導入;直接導入
<ガスクロマトグラフィー−マススペクトル分析>
装置;パーキンエルマー製、(商品名)オートシステムXL(MS部;ターボマスゴールド)
カラム;J&Wサイエンティフィック社製、(商品名)DB−1,30m。
MSイオン化;電子衝突(EI)法(70エレクトロンボルト)
<液体クロマトグラフィー−マススペクトル(LCMS)分析>
装置;ブルカー・ダルトニクス、(商品名)microTOF focus
MSイオン化;大気圧化学イオン化(APCI)法
LC条件;下記液体クロマトグラフィー分析の項目に記載の条件
反応の進行の確認等はガスクロマトグラフィー(GC)及び液体クロマトグラフィー(LC)分析を用いた。
<Mass spectrum (MS) analysis>
Device: JEOL (trade name) JEOL JMS-700
MS ionization; electron impact (EI) method (70 electron volts)
Sample introduction; direct introduction <Gas chromatography-mass spectrum analysis>
Equipment: Perkin Elmer, (trade name) Auto System XL (MS part: Turbomass Gold)
Column; J & W Scientific (trade name) DB-1, 30 m.
MS ionization; electron impact (EI) method (70 electron volts)
<Liquid chromatography-mass spectrum (LCMS) analysis>
Equipment: Bruker Daltonics, (trade name) microTOF focus
MS ionization; atmospheric pressure chemical ionization (APCI) method LC conditions; conditions described in the following liquid chromatography analysis items The confirmation of the progress of the reaction, etc. was performed using gas chromatography (GC) and liquid chromatography (LC) analysis.
<ガスクロマトグラフィー分析>
装置;島津製作所製、(商品名)GC14B
カラム;J&Wサイエンティフィック社製、(商品名)DB−1,30m
ヘテロアセン誘導体の純度測定は液体クロマトグラフィー分析を用いた。
<Gas chromatography analysis>
Equipment: Made by Shimadzu Corporation (trade name) GC14B
Column; made by J & W Scientific, (trade name) DB-1, 30 m
Liquid chromatographic analysis was used to measure the purity of the heteroacene derivative.
<液体クロマトグラフィー分析>
装置;東ソー製(コントローラー;PX−8020、ポンプ;CCPM−II、デガッサー;SD−8022)
カラム;東ソー製、(商品名)ODS−100V、5μm、4.6mm×250mm
カラム温度;30℃
溶離液;ジクロロメタン:アセトニトリル=2:8(容積比)
流量;1.0ml/分
検出器;UV(東ソー製、(商品名)UV−8020、波長;254nm)。
<Liquid chromatography analysis>
Device: manufactured by Tosoh (controller; PX-8020, pump; CCPM-II, degasser; SD-8022)
Column: manufactured by Tosoh (trade name) ODS-100V, 5 μm, 4.6 mm × 250 mm
Column temperature: 30 ° C
Eluent: dichloromethane: acetonitrile = 2: 8 (volume ratio)
Flow rate: 1.0 ml / min detector; UV (manufactured by Tosoh, (trade name) UV-8020, wavelength: 254 nm).
合成例1(1,5−ジブロモ−2,4−ジヨードベンゼンの合成)((A)工程)
窒素雰囲気下、200mlシュレンク反応容器に、室温にて1,3−ジブロモベンゼン(東京化成工業)2.18g(9.26mmol)、ヨウ素(東京化成工業)4.94g(19.4mmol)、及び濃硫酸50mLを添加し、130℃で6時間攪拌した。容器を室温まで冷却し、得られた混合物を氷水に注ぐことで反応を停止させた。析出した結晶を濾過し、順次、亜硫酸水素ナトリウム水溶液、重曹、及び水でそれぞれ洗浄した。得られた結晶をトルエンから1回再結晶精製し、1,5−ジブロモ−2,4−ジヨードベンゼンの白色結晶2.71gを得た(収率60%)。
MS m/z: 488(M+)。
Synthesis Example 1 (Synthesis of 1,5-dibromo-2,4-diiodobenzene) (step (A))
Under a nitrogen atmosphere, in a 200 ml Schlenk reaction vessel, 1.3-dibromobenzene (Tokyo Chemical Industry) 2.18 g (9.26 mmol), iodine (Tokyo Chemical Industry) 4.94 g (19.4 mmol), and concentrated at room temperature. 50 mL of sulfuric acid was added and stirred at 130 ° C. for 6 hours. The vessel was cooled to room temperature, and the resulting mixture was poured into ice water to stop the reaction. The precipitated crystals were filtered and washed sequentially with an aqueous sodium bisulfite solution, sodium bicarbonate, and water, respectively. The obtained crystals were recrystallized and purified once from toluene to obtain 2.71 g of white crystals of 1,5-dibromo-2,4-diiodobenzene (yield 60%).
MS m / z: 488 (M <+> ).
合成例2(1,5−ジブロモ−2,4−ジ(5−n−ヘキシルチオフェン−2−イル)ベンゼンの合成)((B)工程)
窒素雰囲気下、500mlシュレンク反応容器に2−ブロモ−5−n−ヘキシルチオフェン(東京化成工業)3.94g(15.9mmol)及びジエチルエーテル(脱水グレード)100mlを添加した。この溶液を−78℃に冷却し、n−ブチルリチウム(関東化学、1.6M)のヘキサン溶液10.9ml(17.5mmol)を滴下した。この混合物を−78℃で1時間熟成した。一方、窒素雰囲気下、別の200mlシュレンク反応容器に、塩化亜鉛(和光純薬工業)3.79g(20.4mmol)及びTHF(脱水グレード)60mlを添加し、0℃に冷却した。この得られた白色微スラリー溶液を、先に調製した2−ブロモ−5−n−ヘキシルチオフェンのモノリチウム塩中へテフロンキャヌラーを用いて滴下し、さらにTHF(脱水グレード)5mlを用いて200mlシュレンク反応容器及びテフロンキャヌラーを洗浄しながら投入した。得られた混合物を室温まで徐々に昇温しながら攪拌した。生成した2−n−ヘキシルチオフェン−5−亜鉛誘導体のスラリー液に、合成例1で合成した1,5−ジブロモ−2,4−ジヨードベンゼン2.59g(5.32mmol)及び触媒としてテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(東京化成工業)307mg(0.266mmol、1,5−ジブロモ−2,4−ジヨードベンゼンに対し5.00モル%)を添加した。50℃で15時間反応を実施した後、容器を水冷し1M塩酸25mlを添加することで反応を停止させた。トルエンで抽出し、有機相を食塩水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥した。減圧濃縮し、得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製(展開溶媒:トルエン)した。減圧濃縮し、得られた残渣をヘキサンで洗浄した。得られた残渣をヘキサン/トルエン=3/1から再結晶精製し、1,5−ジブロモ−2,4−ジ(5−n−ヘキシルチオフェン−2−イル)ベンゼンの淡黄色固体1.36gを得た(収率45%)。
MS m/z: 568(M+)。
Synthesis Example 2 (Synthesis of 1,5-dibromo-2,4-di (5-n-hexylthiophen-2-yl) benzene) (Step (B))
Under a nitrogen atmosphere, 3.94 g (15.9 mmol) of 2-bromo-5-n-hexylthiophene (Tokyo Chemical Industry) and 100 ml of diethyl ether (dehydrated grade) were added to a 500 ml Schlenk reaction vessel. This solution was cooled to −78 ° C., and 10.9 ml (17.5 mmol) of a hexane solution of n-butyllithium (Kanto Chemical, 1.6M) was added dropwise. The mixture was aged at -78 ° C for 1 hour. On the other hand, 3.79 g (20.4 mmol) of zinc chloride (Wako Pure Chemical Industries) and 60 ml of THF (dehydrated grade) were added to another 200 ml Schlenk reaction vessel in a nitrogen atmosphere and cooled to 0 ° C. The obtained white fine slurry solution was dropped into the previously prepared monolithium salt of 2-bromo-5-n-hexylthiophene using a Teflon cannula, and further using 5 ml of THF (dehydrated grade). A 200 ml Schlenk reaction vessel and a Teflon cannula were added while washing. The resulting mixture was stirred while gradually warming to room temperature. To the produced slurry of 2-n-hexylthiophene-5-zinc derivative, 2.59 g (5.32 mmol) of 1,5-dibromo-2,4-diiodobenzene synthesized in Synthesis Example 1 and tetrakis ( 307 mg (0.266 mmol, 5.00 mol% based on 1,5-dibromo-2,4-diiodobenzene) of triphenylphosphine) palladium (Tokyo Chemical Industry) was added. After carrying out the reaction at 50 ° C. for 15 hours, the vessel was cooled with water and the reaction was stopped by adding 25 ml of 1M hydrochloric acid. Extraction was performed with toluene, and the organic phase was washed with brine and dried over anhydrous sodium sulfate. The residue was purified by silica gel column chromatography (developing solvent: toluene). Concentrated under reduced pressure, and the resulting residue was washed with hexane. The obtained residue was purified by recrystallization from hexane / toluene = 3/1 to obtain 1.36 g of a light yellow solid of 1,5-dibromo-2,4-di (5-n-hexylthiophen-2-yl) benzene. Obtained (yield 45%).
MS m / z: 568 (M <+> ).
合成例3(1,5−ジエチニル−2,4−ジ(5−n−ヘキシルチオフェン−2−イル)ベンゼンの合成)((C)工程)
窒素雰囲気下、100mlシュレンク反応容器に、合成例2で合成した1,5−ジブロモ−2,4−ジ(5−n−ヘキシルチオフェン−2−イル)ベンゼン1.33g(2.34mmol)、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(和光純薬工業)32.8mg(0.0468mmol)、ヨウ化銅(I)(和光純薬工業)17.8mg(0.0936mmol)、THF8ml、トリエチルアミン4ml、トリメチルシリルアセチレン(和光純薬工業)506mg(5.15mmol)を添加した。この混合物を室温(25℃)で20時間反応を実施した。得られた反応混合物にトルエン及び1M塩酸水溶液を添加し、分相後、有機相を水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥した。有機相を減圧濃縮し、得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した(溶媒;ヘキサン:トルエン=20:1〜5:1)。精製単離物にTHF10ml及びテトラブチルアンモニウムフルオライド(シグマ−アルドリッチ、1.0mol/lTHF溶液)6.0ml(6.0mmol)を添加し、室温で1時間撹拌することで脱トリメチリシリル処理を行った。トルエン及び1M塩酸水溶液を添加し、分相後、有機相を水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥した。有機相を減圧濃縮し、1,5−ジエチニル−2,4−ジ(5−n−ヘキシルチオフェン−2−イル)ベンゼンの黄色固体612mgを得た(収率57%)。
MS m/z: 458(M+、100%)。
Synthesis Example 3 (Synthesis of 1,5-diethynyl-2,4-di (5-n-hexylthiophen-2-yl) benzene) (Step (C))
In a 100 ml Schlenk reaction vessel in a nitrogen atmosphere, 1.33 g (2.34 mmol) of 1,5-dibromo-2,4-di (5-n-hexylthiophen-2-yl) benzene synthesized in Synthesis Example 2 and dichlorobis (Triphenylphosphine) palladium (Wako Pure Chemical Industries) 32.8 mg (0.0468 mmol), copper (I) iodide (Wako Pure Chemical Industries) 17.8 mg (0.0936 mmol), THF 8 ml, triethylamine 4 ml, trimethylsilylacetylene ( 506 mg (5.15 mmol) of Wako Pure Chemical Industries) was added. The mixture was reacted at room temperature (25 ° C.) for 20 hours. Toluene and 1M hydrochloric acid aqueous solution were added to the obtained reaction mixture, and after phase separation, the organic phase was washed with water and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic phase was concentrated under reduced pressure, and the resulting residue was purified by silica gel column chromatography (solvent; hexane: toluene = 20: 1 to 5: 1). To the purified isolate, 10 ml of THF and 6.0 ml (6.0 mmol) of tetrabutylammonium fluoride (Sigma-Aldrich, 1.0 mol / l THF solution) were added, followed by detrimethylylsilyl treatment by stirring at room temperature for 1 hour. . Toluene and 1M aqueous hydrochloric acid were added, and after phase separation, the organic phase was washed with water and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic phase was concentrated under reduced pressure to obtain 612 mg of yellow solid of 1,5-diethynyl-2,4-di (5-n-hexylthiophen-2-yl) benzene (57% yield).
MS m / z: 458 (M <+> , 100%).
実施例1(ヘテロアセン誘導体(2,10−ジn−ヘキシルアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)(化合物3)の合成)((D)工程)
窒素雰囲気下、100mlシュレンク反応容器にトリフェニルホスフィン(シメン)塩化ルテニウム錯体(ストレム)70.5mg(0.124mmol)、ヘキサフルオロりん酸アンモニウム(和光純薬工業)40.4mg(0.248mmol)、及び1,2−ジクロロエタン15mlを添加し、60℃に加熱した。ここへ合成例3で合成した1,5−ジエチニル−2,4−ジ(5−n−ヘキシルチオフェン−2−イル)ベンゼン568mg(1.24mmol)及び1,2−ジクロロエタン15mlから成る溶液を滴下ロートを用いて滴下し、60℃で8時間加熱した。減圧下、溶媒を除去後、トルエン及び水を添加し、析出した固体を濾過した。固体を水及びメタノールで洗浄後、シリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製し(展開溶媒:ヘキサン/トルエン=10/1)、さらに得られた化合物をヘキサン/トルエン=3/1から3回再結晶精製し、ヘテロアセン誘導体(2,10−ジn−ヘキシルアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)(化合物3)の淡黄色結晶142mgを得た(収率25%)。
Example 1 (Synthesis of heteroacene derivative (2,10-di-n-hexylanthra [1,2-b: 8,7-b ′] dithiophene) (compound 3)) (step (D))
Under a nitrogen atmosphere, in a 100 ml Schlenk reaction vessel, 70.5 mg (0.124 mmol) of triphenylphosphine (cymene) ruthenium chloride complex (Strem), 40.4 mg (0.248 mmol) of ammonium hexafluorophosphate (Wako Pure Chemical Industries), And 15 ml of 1,2-dichloroethane were added and heated to 60 ° C. A solution comprising 568 mg (1.24 mmol) of 1,5-diethynyl-2,4-di (5-n-hexylthiophen-2-yl) benzene synthesized in Synthesis Example 3 and 15 ml of 1,2-dichloroethane was added dropwise. The mixture was added dropwise using a funnel and heated at 60 ° C. for 8 hours. After removing the solvent under reduced pressure, toluene and water were added, and the precipitated solid was filtered. The solid was washed with water and methanol, and then purified by silica gel column chromatography (developing solvent: hexane / toluene = 10/1), and the obtained compound was recrystallized and purified from hexane / toluene = 3/1 three times. 142 mg of pale yellow crystals of the heteroacene derivative (2,10-di-n-hexylanthra [1,2-b: 8,7-b ′] dithiophene) (compound 3) were obtained (yield 25%).
得られたヘテロアセン誘導体(2,10−ジn−ヘキシルアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)(化合物3)の純度は液体クロマトグラフィーより99.3%であった。
LCMS m/z: 459(M++1、100%)
合成例4(1,5−ジブロモ−2,4−ジ(5−n−オクチルチオフェン−2−イル)ベンゼンの合成)((B)工程)
合成例2で用いた2−ブロモ−5−n−ヘキシルチオフェンの代わりに、2−ブロモ−5−n−オクチルチオフェン(東京化成工業)を用いた以外は、合成例2と同様の方法により、1,5−ジブロモ−2,4−ジ(5−n−オクチルチオフェン−2−イル)ベンゼンの淡黄色固体を収率50%で得た。
The purity of the obtained heteroacene derivative (2,10-di-n-hexylanthra [1,2-b: 8,7-b ′] dithiophene) (compound 3) was 99.3% by liquid chromatography.
LCMS m / z: 459 (M + +1, 100%)
Synthesis Example 4 (Synthesis of 1,5-dibromo-2,4-di (5-n-octylthiophen-2-yl) benzene) (Step (B))
Instead of 2-bromo-5-n-hexylthiophene used in Synthesis Example 2, 2-bromo-5-n-octylthiophene (Tokyo Chemical Industry) was used in the same manner as in Synthesis Example 2, A pale yellow solid of 1,5-dibromo-2,4-di (5-n-octylthiophen-2-yl) benzene was obtained in a yield of 50%.
合成例5(1,5−ジエチニル−2,4−ジ(5−n−オクチルチオフェン−2−イル)ベンゼンの合成)((C)工程)
合成例3で用いた1,5−ジブロモ−2,4−ジ(5−n−ヘキシルチオフェン−2−イル)ベンゼンの代わりに、合成例4で合成した1,5−ジブロモ−2,4−ジ(5−n−オクチルチオフェン−2−イル)ベンゼンを用いた以外は、合成例3と同様の方法により、1,5−ジエチニル−2,4−ジ(5−n−オクチルチオフェン−2−イル)ベンゼンの黄色固体を収率62%で得た。
Synthesis Example 5 (Synthesis of 1,5-diethynyl-2,4-di (5-n-octylthiophen-2-yl) benzene) (Step (C))
Instead of 1,5-dibromo-2,4-di (5-n-hexylthiophen-2-yl) benzene used in Synthesis Example 3, 1,5-dibromo-2,4- synthesized in Synthesis Example 4 was used. Except that di (5-n-octylthiophen-2-yl) benzene was used, 1,5-diethynyl-2,4-di (5-n-octylthiophen-2-yl) was obtained in the same manner as in Synthesis Example 3. I) A yellow solid of benzene was obtained in a yield of 62%.
実施例2(ヘテロアセン誘導体(2,10−ジn−オクチルアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)(化合物5)の合成)((D)工程)
実施例1で用いた1,5−ジエチニル−2,4−ジ(5−n−ヘキシルチオフェン−2−イル)ベンゼンの代わりに、合成例5で合成した1,5−ジエチニル−2,4−ジ(5−n−オクチルチオフェン−2−イル)ベンゼンを用いた以外は、実施例1と同様の方法により、ヘテロアセン誘導体(2,10−ジn−オクチルアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)(化合物5)の淡黄色結晶を収率30%で得た。
Example 2 (Synthesis of heteroacene derivative (2,10-di-n-octylanthra [1,2-b: 8,7-b ′] dithiophene) (compound 5)) (step (D))
1,5-diethynyl-2,4- synthesized in Synthesis Example 5 instead of 1,5-diethynyl-2,4-di (5-n-hexylthiophen-2-yl) benzene used in Example 1 Except for using di (5-n-octylthiophen-2-yl) benzene, a heteroacene derivative (2,10-di-n-octylanthra [1,2-b: 8, 7-b ′] dithiophene) (compound 5) was obtained in a yield of 30%.
実施例3
(有機半導体層形成用溶液の調製)
空気下、10mlサンプル管に、実施例1で得られたヘテロアセン誘導体(2,10−ジn−ヘキシルアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)(化合物3)13.5mg及びトルエン(和光純薬工業、ピュアーグレード)1.34gを添加し、50℃に加熱溶解後、室温下(25℃)に12時間放置した。結晶の析出は見られず1.0重量%の溶液状態を保持していたことから、印刷プロセスに適した材料であることを確認した。
Example 3
(Preparation of organic semiconductor layer forming solution)
In a 10 ml sample tube under air, 13.5 mg of the heteroacene derivative (2,10-di-n-hexylanthra [1,2-b: 8,7-b ′] dithiophene) obtained in Example 1 (Compound 3) And 1.34 g of toluene (Wako Pure Chemical Industries, Pure Grade) were added, dissolved by heating at 50 ° C., and then left at room temperature (25 ° C.) for 12 hours. Since no crystal precipitation was observed and the solution state of 1.0% by weight was maintained, it was confirmed that the material was suitable for the printing process.
また、耐酸化性の確認のため、該溶液の作製直後と外気に接触させた後の純度について確認を行った。該溶液作製直後の化合物の純度は液体クロマトグラフィーより99.3%であった。該溶液を外気に接触させ、70℃で撹拌後、液体クロマトグラフィーによる分析を行ったところ純度の低下は観測されず、耐酸化性を有することが確認できた。 In addition, for confirmation of oxidation resistance, the purity was confirmed immediately after the preparation of the solution and after contact with the outside air. The purity of the compound immediately after preparation of the solution was 99.3% by liquid chromatography. The solution was brought into contact with the outside air, stirred at 70 ° C., and then analyzed by liquid chromatography. As a result, no decrease in purity was observed, confirming that it had oxidation resistance.
(有機半導体層の作製)
空気下、10mlサンプル管に、実施例1で得られたヘテロアセン誘導体(2,10−ジn−ヘキシルアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)(化合物3)1.5mg及びトルエン(和光純薬工業、ピュアーグレード)0.75gを添加し、40℃に加熱し溶液を調製した(0.20重量%)。
(Production of organic semiconductor layer)
In a 10 ml sample tube under air, 1.5 mg of the heteroacene derivative (2,10-di-n-hexylanthra [1,2-b: 8,7-b ′] dithiophene) obtained in Example 1 (compound 3) And toluene (Wako Pure Chemical Industries, pure grade) 0.75g was added, and it heated at 40 degreeC, and prepared the solution (0.20 weight%).
空気下、直径2インチのn型にハイドープしたシリコン基板(ミヨシ、抵抗値;0.004Ω、表面に200nmのシリコン酸化膜付き)上に、得られた溶液0.5mlをシリンジに充填し、0.2μmのフィルターを通した溶液をドロップキャストした。室温下(25℃)で自然乾燥し、膜厚49nmのヘテロアセン誘導体(2,10−ジn−ヘキシルアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)(化合物3)の薄膜を作製した。 A syringe was filled with 0.5 ml of the obtained solution on an n-type highly doped silicon substrate (Miyoshi, resistance value: 0.004Ω, with a 200 nm silicon oxide film on the surface) having a diameter of 2 inches under air. The solution that passed through a 2 μm filter was drop cast. A thin film of a heteroacene derivative (2,10-di-n-hexylanthra [1,2-b: 8,7-b ′] dithiophene) (compound 3) having a film thickness of 49 nm is naturally dried at room temperature (25 ° C.). Produced.
(有機薄膜トランジスタの作製)
該有機薄膜にチャネル長50μm、チャネル幅500μmのシャドウマスクを置き、金を真空蒸着することで電極を形成し、ボトムゲート−トップコンタクト型のp型有機薄膜トランジスタを作製した。
(Production of organic thin film transistor)
A shadow mask having a channel length of 50 μm and a channel width of 500 μm was placed on the organic thin film, and gold was vacuum-deposited to form an electrode, thereby producing a bottom gate-top contact type p-type organic thin film transistor.
作製した有機薄膜トランジスタの電気物性を半導体パラメーターアナライザー(ケースレー4200SCS)を用いて、ドレイン電圧(Vd=−70V)で、ゲート電圧(Vg)を+5〜−70Vまで1V刻みで走査し、伝達特性の評価を行った。正孔のキャリア移動度は0.56cm2/V・s、電流オン・オフ比は1.5×107であった。 Using the semiconductor parameter analyzer (Keutley 4200SCS), the electrical properties of the fabricated organic thin film transistor are scanned with a drain voltage (Vd = −70 V) and a gate voltage (Vg) from +5 to −70 V in increments of 1 V to evaluate transfer characteristics. Went. The hole carrier mobility was 0.56 cm 2 / V · s, and the current on / off ratio was 1.5 × 10 7 .
実施例4
(有機半導体層形成用溶液の調製)
空気下、10mlサンプル管に、実施例2で得られたヘテロアセン誘導体(2,10−ジn−オクチルアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)(化合物5)12.9mg及びトルエン(和光純薬工業、ピュアーグレード)1.28gを添加し、50℃に加熱溶解後、室温下(25℃)に12時間放置した。結晶の析出は見られず1.0重量%の溶液状態を保持していたことから、印刷プロセスに適した材料であることを確認した。
Example 4
(Preparation of organic semiconductor layer forming solution)
In a 10 ml sample tube under air, 12.9 mg of the heteroacene derivative (2,10-di-n-octylanthra [1,2-b: 8,7-b ′] dithiophene) obtained in Example 2 (Compound 5) And 1.28 g of toluene (Wako Pure Chemical Industries, Pure Grade) were added, dissolved by heating at 50 ° C., and then left at room temperature (25 ° C.) for 12 hours. Since no crystal precipitation was observed and the solution state of 1.0% by weight was maintained, it was confirmed that the material was suitable for the printing process.
また、耐酸化性の確認のため、該溶液の作製直後と外気に接触させた後の純度について確認を行った。該溶液作製直後の化合物の純度は液体クロマトグラフィーより99.2%であった。該溶液を外気に接触させ、70℃で撹拌後、液体クロマトグラフィーによる分析を行ったところ純度の低下は観測されず、耐酸化性を有することが確認できた。 In addition, for confirmation of oxidation resistance, the purity was confirmed immediately after the preparation of the solution and after contact with the outside air. The purity of the compound immediately after preparation of the solution was 99.2% by liquid chromatography. The solution was brought into contact with the outside air, stirred at 70 ° C., and then analyzed by liquid chromatography. As a result, no decrease in purity was observed, confirming that it had oxidation resistance.
(有機半導体層の作製)
空気下、10mlサンプル管に、実施例2で得られたヘテロアセン誘導体(2,10−ジn−オクチルアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)(化合物5)1.5mg及びトルエン(和光純薬工業、ピュアーグレード)0.75gを添加し、40℃に加熱し溶液を調製した(0.20重量%)。
(Production of organic semiconductor layer)
In a 10 ml sample tube under air, 1.5 mg of the heteroacene derivative (2,10-di-n-octylanthra [1,2-b: 8,7-b ′] dithiophene) obtained in Example 2 (Compound 5) And toluene (Wako Pure Chemical Industries, pure grade) 0.75g was added, and it heated at 40 degreeC, and prepared the solution (0.20 weight%).
空気下、直径2インチのn型にハイドープしたシリコン基板(ミヨシ、抵抗値;0.001〜0.004Ω、表面に200nmのシリコン酸化膜付き)上に、得られた溶液0.5mlをシリンジに充填し、0.2μmのフィルターを通した溶液をドロップキャストした。室温下(25℃)で自然乾燥し、膜厚55nmのヘテロアセン誘導体(2,10−ジn−オクチルアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)(化合物5)の薄膜を作製した。 In a syringe, 0.5 ml of the resulting solution is placed on a silicon substrate (Miyoshi, resistance value: 0.001 to 0.004Ω, with a 200 nm silicon oxide film on the surface) of n-type n-type having a diameter of 2 inches in a syringe. The solution filled and passed through a 0.2 μm filter was drop cast. A thin film of 55 nm-thick heteroacene derivative (2,10-di-n-octylanthra [1,2-b: 8,7-b ′] dithiophene) (compound 5) was dried at room temperature (25 ° C.). Produced.
(有機薄膜トランジスタの作製)
実施例3と同様の方法により、ボトムゲート−トップコンタクト型のp型有機薄膜トランジスタを作製した。
(Production of organic thin film transistor)
A bottom gate-top contact type p-type organic thin film transistor was produced in the same manner as in Example 3.
正孔のキャリア移動度は0.53cm2/V・s、電流オン・オフ比は1.1×107であった。 The hole carrier mobility was 0.53 cm 2 / V · s, and the current on / off ratio was 1.1 × 10 7 .
比較例1
(有機半導体の合成)
上記非特許文献2に記載の製造手法により、無置換ヘテロアセン(アントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)を得た。
Comparative Example 1
(Synthesis of organic semiconductors)
By the production method described in
(有機半導体層形成用溶液の調製)
空気下、10mlサンプル管に、上記無置換ヘテロアセン13.5mg及びトルエン(和光純薬工業、ピュアーグレード)1.34gを添加し、50℃に加熱溶解後、室温下(25℃)に12時間放置した(無置換ヘテロアセンの濃度は1.0重量%)。結晶の析出が見られ、溶解度に対する問題が確認され、印刷プロセスに適した材料でないことを確認した。
(Preparation of organic semiconductor layer forming solution)
In air, 13.5 mg of the above-mentioned unsubstituted heteroacene and 1.34 g of toluene (Wako Pure Chemical Industries, Pure Grade) were added to a 10 ml sample tube, heated and dissolved at 50 ° C., and then left at room temperature (25 ° C.) for 12 hours. (The concentration of unsubstituted heteroacene was 1.0% by weight). Crystallization was observed, a problem with solubility was confirmed, and it was confirmed that the material was not suitable for the printing process.
比較例2
(有機半導体の合成)
上記非特許文献1に記載の製造手法により、下記一般式(2)で示されるヘテロアセン誘導体(4,8−ビス(4−ドデシロキシフェニル)−2,10−ジメチルアントラ[1,2−b:8,7−b’]ジチオフェン)を得た。
Comparative Example 2
(Synthesis of organic semiconductors)
By the production method described in Non-Patent Document 1, a heteroacene derivative represented by the following general formula (2) (4,8-bis (4-dodecyloxyphenyl) -2,10-dimethylanthra [1,2-b : 8,7-b ′] dithiophene).
空気下、10mlサンプル管に、上記ヘテロアセン誘導体13.5mg及びトルエン(和光純薬工業、ピュアーグレード)1.34gを添加し、50℃に加熱溶解後、室温下(25℃)に24時間放置した。結晶の析出は見られず1.0重量%の溶液状態を保持していたことから、印刷プロセスに適した材料であることを確認した。
Under air, 13.5 mg of the above heteroacene derivative and 1.34 g of toluene (Wako Pure Chemical Industries, Pure Grade) were added to a 10 ml sample tube, heated and dissolved at 50 ° C., and then allowed to stand at room temperature (25 ° C.) for 24 hours. . Since no crystal precipitation was observed and the solution state of 1.0% by weight was maintained, it was confirmed that the material was suitable for the printing process.
(有機半導体層の作製)
空気下、10mlサンプル管に、上記ヘテロアセン誘導体1.5mg及びトルエン(和光純薬工業、ピュアーグレード)0.75gを添加し、40℃に加熱し溶液を調製した(0.20重量%)。
(Production of organic semiconductor layer)
Under air, 1.5 mg of the heteroacene derivative and 0.75 g of toluene (Wako Pure Chemical Industries, Pure Grade) were added to a 10 ml sample tube, and heated to 40 ° C. to prepare a solution (0.20 wt%).
空気下、直径2インチのn型にハイドープしたシリコン基板(ミヨシ、抵抗値;0.004Ω、表面に200nmのシリコン酸化膜付き)上に、得られた溶液0.5mlをシリンジに充填し、0.2μmのフィルターを通した溶液をドロップキャストした。室温下(25℃)で自然乾燥し、膜厚51nmのヘテロアセン誘導体の薄膜を作製した。 A syringe was filled with 0.5 ml of the obtained solution on an n-type highly doped silicon substrate (Miyoshi, resistance value: 0.004Ω, with a 200 nm silicon oxide film on the surface) having a diameter of 2 inches under air. The solution that passed through a 2 μm filter was drop cast. The film was naturally dried at room temperature (25 ° C.) to produce a 51 nm thick heteroacene derivative thin film.
(有機薄膜トランジスタの作製)
実施例3と同様の方法により、ボトムゲート−トップコンタクト型のp型有機薄膜トランジスタを作製し、伝達特性の評価を行ったが、正孔のキャリア移動度は8.0×10−5cm2/V・sときわめて低い値を示した。
(Production of organic thin film transistor)
A bottom gate-top contact type p-type organic thin film transistor was fabricated by the same method as in Example 3, and the transfer characteristics were evaluated. The carrier mobility of holes was 8.0 × 10 −5 cm 2 / A very low value of V · s was exhibited.
本発明の有機薄膜トランジスタは、高いキャリア移動度を与えると共に、溶解性及び耐酸化性に優れることから有機薄膜トランジスタに代表される半導体デバイス材料としての適用が期待できる。 The organic thin film transistor of the present invention is expected to be applied as a semiconductor device material typified by an organic thin film transistor because it provides high carrier mobility and is excellent in solubility and oxidation resistance.
(A):ボトムゲート−トップコンタクト型有機薄膜トランジスタ
(B):ボトムゲート−ボトムコンタクト型有機薄膜トランジスタ
(C):トップゲート−トップコンタクト型有機薄膜トランジスタ
(D):トップゲート−ボトムコンタクト型有機薄膜トランジスタ
1:有機半導体層
2:基板
3:ゲート電極
4:ゲート絶縁層
5:ソース電極
6:ドレイン電極
(A): Bottom gate-top contact type organic thin film transistor (B): Bottom gate-bottom contact type organic thin film transistor (C): Top gate-top contact type organic thin film transistor (D): Top gate-bottom contact type organic thin film transistor 1: Organic semiconductor layer 2: Substrate 3: Gate electrode 4: Gate insulating layer 5: Source electrode 6: Drain electrode
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2016179585A JP2018043947A (en) | 2016-09-14 | 2016-09-14 | Heteroacene derivative, organic semiconductor layer, and organic thin-film transistor |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN109053765A (en) * | 2018-08-30 | 2018-12-21 | 复旦大学 | Nir dye and preparation method thereof of the one kind containing cyclopenta thiapyran |
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2016
- 2016-09-14 JP JP2016179585A patent/JP2018043947A/en active Pending
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