JP4465282B2 - Organic device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、有機化合物を用いた有機デバイスに関する。更に詳しくは、本発明は、共有結合で直接連結した複数のπ共役分子層からなる有機層を有する有機デバイスに関する。本発明の有機デバイスは、有機太陽電池のような光電変換素子、有機EL素子のような電界発光素子等に好適に利用できる。   The present invention relates to an organic device using an organic compound. More specifically, the present invention relates to an organic device having an organic layer composed of a plurality of π-conjugated molecular layers directly connected by covalent bonds. The organic device of the present invention can be suitably used for photoelectric conversion elements such as organic solar cells, electroluminescent elements such as organic EL elements, and the like.

近年、有機デバイスは、低コスト化、フレキシブル化、大面積化が可能という理由から、太陽電池、EL素子、薄膜トランジスタへの応用が盛んに研究されている。しかし、現状はまだ数多くの課題が残されており、その一つに有機分子からなる有機層のキャリア移動度の低さが挙げられる。移動度が低い原因としては、大きく二つある。   In recent years, organic devices have been actively studied for application to solar cells, EL elements, and thin film transistors because of the cost reduction, flexibility, and large area. However, many problems still remain, and one of them is the low carrier mobility of organic layers made of organic molecules. There are two main reasons for the low mobility.

その一つは有機層を形成する方法にある。現在、一般的な有機層の形成方法は、低分子材料であれば、真空蒸着法で、高分子材料であれば、スピンコート法やインクジェット法等である。これらの方法では、本来、異方性をもっている有機分子が、有機層中でランダムに配向してしまう。そのため、異方性を活かして移動度を向上させることが難しい。   One of them is a method of forming an organic layer. At present, a general method for forming an organic layer is a vacuum deposition method for a low molecular material, and a spin coating method or an ink jet method for a high molecular material. In these methods, organic molecules having anisotropy are orientated randomly in the organic layer. For this reason, it is difficult to improve the mobility by utilizing the anisotropy.

もう一つは、有機層中でのキャリアの導電機構にある。低分子有機半導体層中では、キャリアは、有機分子間をホッピングやトンネリングすることにより、伝播していると考えられる。また、高分子有機半導体層中でも、一部分子内(分子鎖)を導電パスとして利用できるが、層全体では低分子有機半導体層同様、キャリアの導電機構はホッピングやトンネリングであると考えられる。   The other is in the conduction mechanism of carriers in the organic layer. In the low molecular organic semiconductor layer, it is considered that carriers propagate by hopping or tunneling between organic molecules. Further, even in the polymer organic semiconductor layer, a part of the molecule (molecular chain) can be used as a conductive path. However, like the low molecular organic semiconductor layer, the carrier conduction mechanism is considered to be hopping or tunneling in the entire layer.

よって、高い移動度をもつ有機デバイスを得るためには、有機分子をある一方向に配列させ(有機分子の異方性を揃え)、その配列方向にキャリアを輸送させるようなデバイス構成とし、更に、そのキャリア伝播を分子鎖が担うように有機分子を設計する必要がある。   Therefore, in order to obtain an organic device with high mobility, the organic molecules are arranged in one direction (alignment of the organic molecules anisotropy), and the device configuration is such that carriers are transported in the arrangement direction. It is necessary to design organic molecules so that the molecular chain is responsible for carrier propagation.

特開平11−265789号公報(特許文献1)では、金電極上に、単一の分子内にホール輸送性、発光性及び電子輸送性を有する分子をラングミュアー・ブロジェット法により配列させて有機層とし、それに対向電極を形成させた有機EL素子が開示されている。すなわち、この公報では、有機分子を配列させ、その配列させた分子鎖方向でのキャリア輸送効率を向上させることにより、高発光効率の有機EL素子を提供することを検討している。   In Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-265789 (Patent Document 1), a molecule having a hole transport property, a light emission property, and an electron transport property is arranged on a gold electrode by a Langmuir-Blodget method. An organic EL element having a layer and a counter electrode formed thereon is disclosed. That is, in this publication, it is considered to provide an organic EL element with high luminous efficiency by arranging organic molecules and improving the carrier transport efficiency in the aligned molecular chain direction.

特開平11−265786号公報JP-A-11-265786

しかしながら、上記公報では高い発光効率が期待できないという課題があった。詳しく説明すると、上記公報では有機層を形成する分子は、ホール輸送性、発光性及び電子輸送性をもつ複数の部位を単一分子内に含むため、必然的に分子鎖が長くなる。すると、電極に対して垂直に配列して固定化する正常な分子もあるが、中には平行に配列してしまう分子を生じる。この分子の方向は、キャリアの輸送方向(電極に対して垂直方向)とは異なるので、キャリアの輸送が妨げられることになる。従って、この分子は、発光の機能を果たさず、発光効率の低下の要因となる。   However, the above publication has a problem that high luminous efficiency cannot be expected. More specifically, in the above publication, the molecule forming the organic layer includes a plurality of sites having hole transport properties, light emission properties, and electron transport properties in a single molecule, so that the molecular chain is inevitably long. Then, although there are normal molecules that are aligned and fixed perpendicular to the electrodes, some molecules are aligned in parallel. Since the direction of this molecule is different from the carrier transport direction (perpendicular to the electrode), carrier transport is hindered. Therefore, this molecule does not fulfill the function of light emission and causes a decrease in light emission efficiency.

上記の課題は、有機EL素子に限定されず、有機太陽電池でもキャリアの輸送が妨げられるという観点で同様の課題が考えられる。そのため、より高い光電変換効率を実現しうる有機層を有した有機太陽電池の提供も望まれている。   The above-mentioned problem is not limited to the organic EL element, and the same problem can be considered from the viewpoint that carrier transport is hindered even in an organic solar battery. Therefore, the provision of an organic solar cell having an organic layer that can realize higher photoelectric conversion efficiency is also desired.

かくして本発明によれば、第一電極層と、有機層と、第二電極層とをこの順序で備え、前記有機層は複数のπ共役分子層からなり、前記第一電極層と接するπ共役分子層は、前記第一電極層と共有結合し、前記第一電極層表面に対して略垂直方向に配向し、また、隣接する前記π共役分子層同士は共有結合し、前記π共役分子層は、直線構造を有するπ共役分子から構成され、前記有機層が、芳香族化合物に由来するπ共役分子層とアセチレンに由来するπ共役分子層とが交互に共有結合された積層構造を有することを特徴とした有機デバイスが提供される。 Thus, according to the present invention, the first electrode layer, the organic layer, and the second electrode layer are provided in this order, and the organic layer includes a plurality of π-conjugated molecular layers and is in contact with the first electrode layer. The molecular layer is covalently bonded to the first electrode layer and oriented in a direction substantially perpendicular to the surface of the first electrode layer, and the adjacent π-conjugated molecular layers are covalently bonded to each other, and the π-conjugated molecular layer Is composed of π-conjugated molecules having a linear structure, and the organic layer has a laminated structure in which π-conjugated molecular layers derived from aromatic compounds and π-conjugated molecular layers derived from acetylene are alternately covalently bonded. An organic device is provided.

更に、本発明によれば、第一電極層上に、第一層目のπ共役分子層を前記第一電極層と共有結合させつつ前記第一電極層表面に対して略垂直方向に配向するように積層する第一の工程と、前記第一層目のπ共役分子層上に、隣接するπ共役分子層と共有結合させつつ、第二層目以降のπ共役分子層を積層する第二の工程と、第一及び第二の工程で得られた複数のπ共役分子層からなる有機層上に第二電極層を形成させる第三の工程からなり、前記π共役分子層は、直線構造を有するπ共役分子から構成され、前記有機層が、芳香族化合物に由来するπ共役分子層とアセチレンに由来するπ共役分子層とが交互に共有結合された積層構造を有することを特徴とする有機デバイスの製造方法が提供される。 Furthermore, according to the present invention, on the first electrode layer, the first π-conjugated molecular layer is oriented in a direction substantially perpendicular to the surface of the first electrode layer while covalently bonding to the first electrode layer. And a second step of laminating the second and subsequent π-conjugated molecular layers on the first π-conjugated molecular layer while covalently bonding to an adjacent π-conjugated molecular layer. And a third step of forming a second electrode layer on the organic layer composed of a plurality of π-conjugated molecular layers obtained in the first and second steps, and the π-conjugated molecular layer has a linear structure consists π-conjugated molecules with the organic layer, wherein Rukoto that the aromatics π-conjugated molecular layer derived from the product and π-conjugated molecular layer derived from the acetylene having a covalently bonded laminated structure alternately An organic device manufacturing method is provided.

本発明の有機デバイス及びその製造方法によれば、キャリアの輸送に寄与しない分子を極力減らすことができる。
従来の製造方法では分子鎖の長いものを使用していたため、分子が基板に対して平行に配列しまう恐れがあった。つまり、キャリアの輸送に寄与しない分子が多かった。
According to the organic device and the manufacturing method thereof of the present invention, molecules that do not contribute to carrier transport can be reduced as much as possible.
Since the conventional manufacturing method uses a long molecular chain, there is a possibility that molecules are arranged in parallel to the substrate. That is, there were many molecules that did not contribute to carrier transport.

しかし、本発明では、有機層を複数の分子層に分割し、分子層を構成する分子鎖を短くすることによって、分子が基板に対して平行に配列してしまう分子、いわゆるキャリアの輸送に寄与しない分子を極力減らすことができる。   However, in the present invention, the organic layer is divided into a plurality of molecular layers, and the molecular chains constituting the molecular layer are shortened, thereby contributing to the transport of molecules that are arranged in parallel to the substrate, so-called carriers. It is possible to reduce as many molecules as possible.

また、本発明の有機デバイスは、必然的に複数のπ共役分子層からなる有機層を備え、キャリアの輸送方向と同じ方向に配列したπ共役分子が増加した構造となる。これらのπ共役分子層は互いに共有結合しているため、π共役が伸長し、分子鎖を導電パスとして利用でき、その結果、キャリアの輸送効率が増加する。よって、発光や光電変換機能を果たさない部位が減少するので、有機EL素子であれば発光効率の向上、有機太陽電池であれば変換効率の向上が可能となる。   In addition, the organic device of the present invention inevitably includes an organic layer composed of a plurality of π-conjugated molecular layers, and has a structure in which π-conjugated molecules arranged in the same direction as the carrier transport direction are increased. Since these π-conjugated molecular layers are covalently bonded to each other, the π-conjugate is extended, and the molecular chain can be used as a conductive path. As a result, carrier transport efficiency is increased. Therefore, since the site | part which does not fulfill | perform light emission and a photoelectric conversion function reduces, if it is an organic EL element, it will become possible to improve luminous efficiency, and if it is an organic solar cell, it will become possible to improve conversion efficiency.

また、π共役分子層が、直線構造(一次元構造)を有するπ共役分子から構成されることで、より配向性を高めることができるため、キャリア移動度をより向上できる。   In addition, since the π-conjugated molecular layer is composed of π-conjugated molecules having a linear structure (one-dimensional structure), the orientation can be further improved, so that the carrier mobility can be further improved.

また、π共役分子層が、主鎖方向において、平面性の高い構造を有するπ共役分子から構成されることで、有効共役鎖長が伸展でき、分子鎖をキャリア移動のパスとして利用できるためキャリア移動度をより向上できる。   In addition, since the π-conjugated molecular layer is composed of π-conjugated molecules having a highly planar structure in the main chain direction, the effective conjugated chain length can be extended and the molecular chain can be used as a carrier transfer path. Mobility can be further improved.

また、第一電極層と接するπ共役分子層が、前記第一電極層表面に対して略垂直方向に配向したπ共役分子層であることで、第一電極層と有機層間のキャリア注入もしくは、取り出し効率を向上できる。   Further, the π-conjugated molecular layer in contact with the first electrode layer is a π-conjugated molecular layer oriented in a direction substantially perpendicular to the surface of the first electrode layer, so that carrier injection between the first electrode layer and the organic layer, or The extraction efficiency can be improved.

また、有機層が、複素環を含む分子からなるπ共役分子層を少なくとも一層含むことで、複素原子特有の機能を付与できる。   Further, when the organic layer includes at least one π-conjugated molecular layer made of a molecule containing a heterocyclic ring, a function specific to a hetero atom can be imparted.

また、有機層が、p型とn型のπ共役分子層を含むことで、両層の界面で生成した励起子を効率よく電極へ輸送できるため、光電変換効率の高い有機太陽電池を提供できる。   In addition, since the organic layer includes the p-type and n-type π-conjugated molecular layers, excitons generated at the interface between the two layers can be efficiently transported to the electrode, so that an organic solar cell with high photoelectric conversion efficiency can be provided. .

また、有機層が、ホール輸送性のπ共役分子層、発光性のπ共役分子層及び電子輸送性のπ共役分子層を含むことで、分子鎖を導電パスとする発光層へのキャリアの輸送効率が向上できるため、高発光効率、低駆動電圧の有機EL素子を提供できる。   In addition, the organic layer includes a hole-transporting π-conjugated molecular layer, a light-emitting π-conjugated molecular layer, and an electron-transporting π-conjugated molecular layer, so that carriers can be transported to the light-emitting layer using the molecular chain as a conductive path. Since the efficiency can be improved, an organic EL element with high light emission efficiency and low driving voltage can be provided.

また、芳香族化合物に由来するπ共役分子層とアセチレンに由来するπ共役分子層とが交互に共有結合された積層構造を有してもよい。この場合、有機層を構成するπ共役分子を第一電極層表面に対して直線的に配列できるため有機層の配向性を高くでき、第一電極層表面に平行に並ぶπ共役分子が平面構造を有しているため有機層の有効共役鎖長を長くできる。そのためキャリア移動度をより大きくできる。   Alternatively, a π-conjugated molecular layer derived from an aromatic compound and a π-conjugated molecular layer derived from acetylene may have a laminated structure in which covalent bonds are alternately bonded. In this case, since the π-conjugated molecules constituting the organic layer can be linearly arranged with respect to the surface of the first electrode layer, the orientation of the organic layer can be increased, and the π-conjugated molecules aligned in parallel with the surface of the first electrode layer have a planar structure. Therefore, the effective conjugated chain length of the organic layer can be increased. Therefore, carrier mobility can be increased.

また、第二工程におけるπ共役分子層が、互いに離れた位置に二つの官能基をもつπ共役分子から由来し、積層方向に隣接する官能基の縮合反応を繰り返すことでπ共役分子層を複数積層してもよい。この場合、π共役分子層を略垂直方向に積層できるため、π共役分子からなる化合物の分子鎖長、つまり有機層の膜厚の制御が可能となる。   In addition, the π-conjugated molecular layer in the second step is derived from a π-conjugated molecule having two functional groups at positions separated from each other, and multiple π-conjugated molecular layers are formed by repeating condensation reactions of functional groups adjacent in the stacking direction. You may laminate. In this case, since the π-conjugated molecular layer can be stacked in a substantially vertical direction, it is possible to control the molecular chain length of the compound composed of π-conjugated molecules, that is, the thickness of the organic layer.

また、前記二つの官能性をもつπ共役分子が、その一方の官能基が保護された分子であり、前記第二工程におけるπ共役分子層を、前記保護された化合物の他方の官能基をπ共役分子層の官能基と縮合反応させることで積層する工程と、保護された分子を脱保護する工程とを繰り返すことで複数積層される工程を含んでもよい。この場合、単一の分子を用意し、繰り返し積層すればよいので、デバイス作製のコストを低減できる。   In addition, the π-conjugated molecule having the two functionalities is a molecule in which one functional group is protected, and the π-conjugated molecular layer in the second step is used as the other functional group of the protected compound as π. You may include the process laminated | stacked by repeating the process laminated | stacked by making it condense with the functional group of a conjugated molecular layer, and the process deprotecting the protected molecule | numerator. In this case, a single molecule may be prepared and repeatedly stacked, so that the cost of device fabrication can be reduced.

また、共有結合が、アリールハライドとエチニルアリールとのクロスカップリング、又はアリールホウ素化合物とハロゲン化アリールとのクロスカップリングにより形成されていてもよい。前者の場合、穏和な条件下で、高収率にアリーレンエチニレン骨格のπ共役化合物からなる有機層を得ることが可能となる。後者の場合、高収率に多環式のπ共役化合物からなる有機層を得ることが可能となる。   The covalent bond may be formed by cross coupling of aryl halide and ethynyl aryl, or cross coupling of aryl boron compound and aryl halide. In the former case, an organic layer composed of a π-conjugated compound having an arylene ethynylene skeleton can be obtained in a high yield under mild conditions. In the latter case, an organic layer composed of a polycyclic π-conjugated compound can be obtained in a high yield.

本発明の有機デバイスについて構造、材料及び製造方法について図1〜7を用いて説明する。
まず、構造について説明する。
図1a)及びb)は本発明の基本的な構造を模式的に描いたものである。基板11と、第一電極層12と、複数のπ共役分子層13と、第二電極層14から構成される。図1a)及びb)において、nとmはπ共役分子層の層数を示しており、π共役分子層とはある単一のπ共役分子を積層した層の単位を指す。よって、複数のπ共役分子層は、同一の分子層を複数回積層したものでも(図1a))、多種の分子層を複数回積層したものでも(図1b))構わない。
The structure, material, and manufacturing method of the organic device of the present invention will be described with reference to FIGS.
First, the structure will be described.
1a) and b) schematically depict the basic structure of the present invention. A substrate 11, a first electrode layer 12, a plurality of π-conjugated molecular layers 13, and a second electrode layer 14 are configured. 1a) and b), n and m indicate the number of π-conjugated molecular layers, and the π-conjugated molecular layer refers to a unit of a layer in which a single π-conjugated molecule is laminated. Therefore, the plurality of π-conjugated molecular layers may be the same molecular layer laminated a plurality of times (FIG. 1a)) or various molecular layers laminated a plurality of times (FIG. 1b)).

また、分子層が複数回積層された結果、形成される有機層は、第一電極層と共有結合し、第一電極層表面に対し略垂直方向に配列した有機分子(π共役分子)15の集合体から構成されている。このような構造によれば、キャリアの輸送方向と同じ方向にπ共役分子が配列した結果形成されたπ共役分子鎖をキャリアの導電パスとして利用できる。そのため、キャリアの輸送効率が増加し、有機EL素子であれば発光効率を向上、有機太陽電池であれば変換効率を向上できる。特に、複数のπ共役分子層を設けることで、分子の配列が制御でき、分子が電極表面に対して平行に配列した部位を極力減らすことができる。ここで、略垂直とは、第一電極表面に対して、45〜90°の範囲を意味する。   In addition, as a result of the molecular layer being laminated a plurality of times, the organic layer formed is covalently bonded to the first electrode layer, and organic molecules (π-conjugated molecules) 15 arranged in a direction substantially perpendicular to the surface of the first electrode layer. It is composed of aggregates. According to such a structure, a π-conjugated molecular chain formed as a result of arranging π-conjugated molecules in the same direction as the carrier transport direction can be used as a conductive path of carriers. Therefore, the carrier transport efficiency is increased, and if it is an organic EL element, the luminous efficiency can be improved, and if it is an organic solar cell, the conversion efficiency can be improved. In particular, by providing a plurality of π-conjugated molecular layers, the arrangement of molecules can be controlled, and the number of molecules arranged in parallel to the electrode surface can be reduced as much as possible. Here, “substantially perpendicular” means a range of 45 to 90 ° with respect to the surface of the first electrode.

また、π共役分子層の分子鎖がある程度長いもの(ホール輸送性、発光性、電子輸送性を単一分子内に含むようなもの)では、分子が電極表面に対して平行に配列する恐れがある。平行に配列した部位では発光や光電変換機能が得られないため、発光や光電変換効率が低下する。つまり、本発明のように1つのπ共役分子層の分子鎖を短くすれば、前記課題を解決できる。   In addition, when the molecular chain of the π-conjugated molecular layer is long to some extent (such as those that include hole transport properties, light emission properties, and electron transport properties in a single molecule), there is a risk that the molecules will be aligned parallel to the electrode surface. is there. Since the light emission and photoelectric conversion functions cannot be obtained at the portions arranged in parallel, the light emission and photoelectric conversion efficiency decreases. That is, the problem can be solved by shortening the molecular chain of one π-conjugated molecular layer as in the present invention.

次に、材料について説明する。
基板11に使用できる材料は、光電変換デバイスや電界発光デバイスへの応用を考慮すると透明材料が好ましい。具体的には、ガラス、石英、アクリル樹脂等が挙げられる。なお、基板は、必須ではなく、第一電極層と兼用されていてもよい。
Next, materials will be described.
The material that can be used for the substrate 11 is preferably a transparent material in consideration of application to a photoelectric conversion device or an electroluminescent device. Specifically, glass, quartz, an acrylic resin, etc. are mentioned. Note that the substrate is not essential and may also be used as the first electrode layer.

第一電極層12に使用できる材料は、無機酸化物又は表面に薄い自然酸化膜が形成され易い金属が好ましい。後者は、酸素プラズマ処理や酸処理等により表面に水酸基を生じる金属が好ましい。具体例を挙げるとITO(酸化インジウム錫)、IZO(酸化インジウム亜鉛)等の無機酸化物、ドープされたシリコン、アルミニウム等の金属が挙げられる。   The material that can be used for the first electrode layer 12 is preferably an inorganic oxide or a metal on which a thin natural oxide film is easily formed. The latter is preferably a metal that generates a hydroxyl group on the surface by oxygen plasma treatment or acid treatment. Specific examples include inorganic oxides such as ITO (indium tin oxide) and IZO (indium zinc oxide), metals such as doped silicon and aluminum.

次に、有機層を形成する複数のπ共役分子層に使用できる材料について説明する。
複数のπ共役分子層を形成するために使用されるπ共役分子は、分子サイズが小さいほど高い収率で積層できる。π共役分子としては、例えば、炭素数6〜12の芳香族炭化水素、炭素数4〜8の複素環式化合物、炭素数2〜4の不飽和脂肪族炭化水素、これら化合物の組み合わせ等が挙げられる。
Next, materials that can be used for the plurality of π-conjugated molecular layers forming the organic layer will be described.
The π-conjugated molecules used to form a plurality of π-conjugated molecular layers can be stacked with higher yield as the molecular size is smaller. Examples of the π-conjugated molecule include aromatic hydrocarbons having 6 to 12 carbon atoms, heterocyclic compounds having 4 to 8 carbon atoms, unsaturated aliphatic hydrocarbons having 2 to 4 carbon atoms, and combinations of these compounds. It is done.

例えば、図2a)に示すようなベンゼン、ビフェニル、フェニルアセチレン、スチレン、フルオレン、ジエチニルベンゼン、ジエテニルベンゼン等の芳香族炭化水素が好ましい。   For example, aromatic hydrocarbons such as benzene, biphenyl, phenylacetylene, styrene, fluorene, diethynylbenzene, and diethenylbenzene as shown in FIG. 2a) are preferable.

また、図2b)に示すようなチオフェン、ピロール、それらの多環式化合物等の複素環式化合物、及びそれらにアセチレン又はエチレンが付与された化合物が好ましい。これら化合物を用いれば、平面性が高く、分子鎖方向に対して高いキャリア移動度が得られる。ピリジンやシロールと、それらの多環式化合物、及びそれらにアセチレン又はエチレンが付与された化合物を分子層単位として用いてもよい。ピリジンであれば窒素の大きな電気陰性度から、シロールであればケイ素部位のσ*軌道とジエン部位のπ*軌道とのσ*−π*共役から(S. Yamaguchi and K. Tamao Bull. Chem. Soc. Jpn. 1996, 69, 2327.)、LUMOを低下させることができる。その結果、n型分子層の特性が発現した電子輸送層を形成できる。つまり、π共役分子層の少なくとも一層が、複素環を含む分子層から形成されることで、ヘテロ原子特有の機能を有機層に付与できるという効果を生じる。なお、図2b)中、XはN、S、O、Si等を意味する。   Moreover, heterocyclic compounds such as thiophene, pyrrole, and their polycyclic compounds as shown in FIG. 2b), and compounds having acetylene or ethylene added thereto are preferred. If these compounds are used, the planarity is high and high carrier mobility can be obtained in the molecular chain direction. Pyridine or silole, polycyclic compounds thereof, and compounds to which acetylene or ethylene is added may be used as molecular layer units. In the case of pyridine, the electronegativity of nitrogen is large, and in the case of silole, the σ * -π * conjugation between the σ * orbital of the silicon site and the π * orbital of the diene site (S. Yamaguchi and K. Tamao Bull. Chem. Soc. Jpn. 1996, 69, 2327.), LUMO can be reduced. As a result, an electron transport layer in which the characteristics of the n-type molecular layer are expressed can be formed. In other words, at least one layer of the π-conjugated molecular layer is formed from a molecular layer containing a heterocyclic ring, so that an effect unique to the hetero atom can be imparted to the organic layer. In FIG. 2b), X means N, S, O, Si or the like.

特に、ベンゼンやピリジン等の6員環芳香族化合物と、アセチレン又はエチレン等の直鎖状炭化水素が交互に積層された有機層や、チオフェンやピロールが多環式に結合した有機層は、分子鎖のねじれが少なく共役面の平面性が高いため好ましい。これら有機層は、有効共役鎖長を伸展できるため、分子鎖を導電パスとしたキャリア移動度をより向上できる。平面性が高いとは、有機層を構成する一連のπ共役分子からなる鎖中の6又は5員環同士の二面角(ねじれ)が小さいことを意味する。本発明では二面角が30°以下であることが好ましい。   In particular, organic layers in which 6-membered aromatic compounds such as benzene and pyridine and linear hydrocarbons such as acetylene and ethylene are alternately laminated, and organic layers in which thiophene and pyrrole are bonded in a polycyclic manner This is preferable because the twist of the chain is small and the planarity of the conjugate plane is high. Since these organic layers can extend the effective conjugated chain length, the carrier mobility using the molecular chain as a conductive path can be further improved. High planarity means that the dihedral angle (twist) between 6- or 5-membered rings in a chain composed of a series of π-conjugated molecules constituting the organic layer is small. In the present invention, the dihedral angle is preferably 30 ° or less.

次に各層と共有結合する官能基について説明する。
まず、第一電極層12上の第一層目のπ共有分子層の結合手は、第一電極層と共有結合しうる官能基に由来しさえすれば得に限定されない。例えば、官能基は、図2c)に示すように、第一電極層表面上の水酸基とシロキサン結合を形成するトリメトキシシリル基、トリエトキシシリル基等のトリアルキルシリル基、トリクロロシリル基のようなトリハロシリル基が好ましい。これらの官能基は、電極層の材料と強固な共有結合を形成するため、有機デバイスを長寿命化できるという効果を生じる。図2c)中、Rは炭素数1〜4の低級アルキル、Aは第二層目のπ共役分子の官能基と反応する官能基、Arはアリール、不飽和脂肪族炭化水素等を意味する。
Next, the functional group covalently bonded to each layer will be described.
First, the bond of the first π-covalent molecular layer on the first electrode layer 12 is not particularly limited as long as it is derived from a functional group that can be covalently bonded to the first electrode layer. For example, as shown in FIG. 2c), the functional group is a trialkylsilyl group such as a trimethoxysilyl group or triethoxysilyl group that forms a siloxane bond with a hydroxyl group on the surface of the first electrode layer, such as a trichlorosilyl group. A trihalosilyl group is preferred. Since these functional groups form a strong covalent bond with the material of the electrode layer, there is an effect that the lifetime of the organic device can be extended. In FIG. 2c), R represents lower alkyl having 1 to 4 carbon atoms, A represents a functional group that reacts with the functional group of the π-conjugated molecule in the second layer, Ar represents aryl, unsaturated aliphatic hydrocarbon, and the like.

また、シランカップラー部位の反応活性基が一置換(一官能性)のもの、例えば、ジメチルアルコキシシリル基やジメチルハロシリル基は第一電極層表面の水酸基と1対1で結合し、第一電極層と結合せずにシランカップリング剤同士で反応する結合手が無いため、隣接する分子の影響を受けず、略垂直方向に配向する。そのため、第一電極層から略垂直方向(有機層内部)へキャリアを効率よく注入もしくは、取り出すことが可能となる。   In addition, the reactive group of the silane coupler site is monosubstituted (monofunctional), for example, a dimethylalkoxysilyl group or a dimethylhalosilyl group is bonded to the hydroxyl group on the surface of the first electrode layer in a one-to-one relationship. Since there is no bond that reacts with the silane coupling agent without bonding to the layer, the film is oriented in a substantially vertical direction without being influenced by adjacent molecules. Therefore, it becomes possible to efficiently inject or take out carriers from the first electrode layer in a substantially vertical direction (inside the organic layer).

次に、第二層目以降のπ共役分子層に付与された結合手の位置について説明する。
まず、結合手の主鎖骨格中での位置は、π共役分子を略垂直方向に配向させる目的とπ共役分子鎖の共役を伸展させる目的から、二つの官能基が互いに遠い位置に付与されることが好ましい。具体的には、六員環ならばパラ位、五員環ならば2,5位が好ましい(図2a)、b))。
Next, the position of the bond provided to the π-conjugated molecular layers after the second layer will be described.
First, the position in the main chain skeleton of the bond is given to two functional groups far from each other for the purpose of orienting the π-conjugated molecule in a substantially vertical direction and extending the conjugation of the π-conjugated molecular chain. It is preferable. Specifically, the para position is preferable for a 6-membered ring, and the 2- and 5-positions are preferable for a 5-membered ring (FIGS. 2a) and b)).

つまり、このような位置に官能基が付与されることにより、π共役分子層を略垂直方向に積層できるので、π共役分子からなる積層体の分子鎖長、つまり有機層の膜厚の制御が可能という効果を生じる。また、主鎖の共役に関わるπ電子数が上昇し、非局在化が大きくなるので、キャリア移動度を向上できる。また、六員環のパラ位及び六員環パラ置換アセチレン等は、分子に折れ曲がりがなく、一次元構造のため、よりπ共役分子の配向性が高い。そのためキャリア移動度をより向上できる。   In other words, by attaching functional groups to such positions, π-conjugated molecular layers can be stacked in a substantially vertical direction, so that the molecular chain length of a laminate composed of π-conjugated molecules, that is, the thickness of the organic layer can be controlled. The effect is possible. In addition, the number of π electrons involved in the conjugation of the main chain increases and delocalization increases, so that carrier mobility can be improved. In addition, the para-position of the six-membered ring and the six-membered para-substituted acetylene are not bent in the molecule and have a one-dimensional structure, so that the orientation of the π-conjugated molecule is higher. Therefore, carrier mobility can be further improved.

次に、第二層目以降のπ共役分子層の官能基の種類と反応様式について説明する
反応様式としては、前後の分子層の官能基によって異なるが、π共役結合を切断することなく連結する様式が好ましい。好ましいπ共役分子の官能基と反応様式の組み合わせは、末端アセチレンとハロゲンとの薗頭カップリング(K.Sonogashira et al.,Tetrahedron lett., 1975, 50, 4467)、ホウ素化合物とハロゲンとの鈴木カップリング(N. Miyaura and A. Suzuki, J. Chem. Commun., 1979, 866)、アルデヒドとリンイリドとのウッティヒ反応(G.Wittig and U.Schoelkopf, OSC, 1973, 5,751)、末端エチレンとハロゲンもしくはアミンとのヘック反応(M. Heck et al., J. Org. Chem., 1977, 42, 3903)等が挙げられる(図2d))。
Next, the types of functional groups and reaction modes of the π-conjugated molecular layers in the second and subsequent layers will be described. The reaction mode varies depending on the functional groups of the preceding and subsequent molecular layers, but the π-conjugated bonds are connected without breaking. A mode is preferred. Preferred π-conjugated molecule functional group and reaction mode combinations include Sonogashira et al., Tetrahedron lett., 1975, 50, 4467, terminal acetylene and halogen, Suzuki with boron compound and halogen. Coupling (N. Miyaura and A. Suzuki, J. Chem. Commun., 1979, 866), Wuttig reaction between aldehyde and phosphorus ylide (G. Wittig and U. Schoelkopf, OSC, 1973, 5,751), terminal ethylene and halogen Or the Heck reaction with an amine (M. Heck et al., J. Org. Chem., 1977, 42, 3903) etc. are mentioned (FIG. 2d)).

更に、図2e)に示すように末端アセチレンとハロゲンとの薗頭カップリングを用いれば、穏和な条件下で、高収率に平面性が高いアリーレンエチニレン骨格のπ共役分子からなる有機層を得ることができる。6員環芳香族のパラ位に官能基をもつ分子ならば、直線構造のπ共役分子からなる有機層を得ることが可能になる。   Furthermore, as shown in FIG. 2e), when a Sonogashira coupling of terminal acetylene and halogen is used, an organic layer composed of a π-conjugated molecule of an arylene ethynylene skeleton having high planarity and high yield under mild conditions. Obtainable. If the molecule has a functional group at the para position of a 6-membered aromatic ring, an organic layer composed of a π-conjugated molecule having a linear structure can be obtained.

また、芳香族置換のホウ素化合物と芳香族置換のハロゲンとの鈴木カップリングを用いれば、ターフェニレン、ターチオフェンのような多環式のπ共役分子からなる有機層を得ることが可能となる。ターフェニレンであれば主鎖の螺旋構造による偏光特性が得られる。ターチオフェンであれば分子鎖の平面性の高い有機層が得られるので、キャリア移動度を向上できる。   In addition, when Suzuki coupling of an aromatic substituted boron compound and an aromatic substituted halogen is used, an organic layer composed of a polycyclic π-conjugated molecule such as terphenylene or terthiophene can be obtained. If it is terphenylene, the polarization characteristic by the helical structure of the main chain can be obtained. Since terthiophene provides an organic layer having a high molecular chain planarity, carrier mobility can be improved.

次に応用するデバイス別に好ましい分子層の形態について説明する。
まず、光電変換素子は、通常p型とn型のπ共役分子層を含む。
Next, a preferred form of the molecular layer for each device to be applied will be described.
First, a photoelectric conversion element usually includes p-type and n-type π-conjugated molecular layers.

p型のπ共役分子層(p型分子層)として、図3a)に示すような炭化水素系6員環芳香族、ピロール、チオール、フラン等の複素5員環及びそれらをエチレンやアセチレンで置換した分子からなる層が好ましい。図3a)中、XはN、S、O等を意味する。更に、π共役分子層を構成する分子が、フェニレンエチニレン骨格又はフェニレンビニレン骨格を有することが好ましい。この骨格を有する分子は、分子鎖方向での平面性が高いため、分子鎖を導電パスとしたキャリア移動が可能である理由から好ましい。この骨格を有する分子の層としては、スチレン又はエチニルベンゼンの積層や、1,4−ジエテニルベンゼン又は1,4−ジエチニルベンゼンとベンゼンとの交互積層が挙げられる。層数は、π共役分子の種類によって異なるが、2〜20層が好ましい。   As a p-type π-conjugated molecular layer (p-type molecular layer), a hydrocarbon-based 6-membered aromatic ring, pyrrole, thiol, furan, etc. as shown in FIG. 3a) and those substituted with ethylene or acetylene A layer consisting of the molecules is preferred. In FIG. 3a), X means N, S, O or the like. Furthermore, the molecules constituting the π-conjugated molecular layer preferably have a phenylene ethynylene skeleton or a phenylene vinylene skeleton. Molecules having this skeleton are preferable because they have high planarity in the molecular chain direction and can move carriers using the molecular chain as a conductive path. Examples of the molecular layer having this skeleton include a stack of styrene or ethynylbenzene, and an alternate stack of 1,4-diethenylbenzene or 1,4-diethynylbenzene and benzene. The number of layers varies depending on the type of π-conjugated molecule, but 2 to 20 layers are preferable.

特に、フェニレンエチニレン骨格を有する場合、光照射により界面で生成したエキシットンを効率よく電極層へ輸送できるためより好ましい。   In particular, the phenylene ethynylene skeleton is more preferable because excitons generated at the interface by light irradiation can be efficiently transported to the electrode layer.

次に、n型のπ共役分子層(n型分子層)として、図3b)に示すように、ピリジン、オキサジアゾール、シロールとそれらにエチレンやアセチレンが付与された分子からなる層が好ましい。更に、p型分子層と同様の理由から同様のフェニレンエチニレン骨格又はフェニレンビニレン骨格を有する分子が好ましい。具体的には、n型分子層として、エテニルピリジン又はエチニルピリジンの積層や、2,5−ジエテニルピリジン又は2,5−ジエチニルピリジンとベンゼンとの交互積層が好ましい。層数は、π共役分子の種類によって異なるが、2〜20層が好ましい。   Next, as the n-type π-conjugated molecular layer (n-type molecular layer), as shown in FIG. 3b), a layer composed of pyridine, oxadiazole, silole and molecules to which ethylene or acetylene is added is preferable. Further, for the same reason as the p-type molecular layer, a molecule having the same phenylene ethynylene skeleton or phenylene vinylene skeleton is preferable. Specifically, as the n-type molecular layer, a stack of ethenyl pyridine or ethynyl pyridine, or an alternate stack of 2,5-diethenyl pyridine or 2,5-diethynyl pyridine and benzene is preferable. The number of layers varies depending on the type of π-conjugated molecule, but 2 to 20 layers are preferable.

上記n型及びp型分子層以外に、光電変換素子を通常構成する他の層を有していてもよい。そのような層としては、光を集めるためのアンテナ分子層等が挙げられる。   In addition to the n-type and p-type molecular layers, other layers that normally constitute the photoelectric conversion element may be included. Examples of such a layer include an antenna molecule layer for collecting light.

次に、電界発光素子の場合は、図4a)に示すような分子からなるホール輸送性分子層と、図4b)に示すような分子からなる発光性分子層と、図4c)に示すような化合物からなる電子輸送性分子層を含むことが好ましい。層数は、π共役分子の種類によって異なるが、ホール輸送性分子層の場合、2〜10層が、発光性分子層の場合、2〜10層が、電子輸送性分子層の場合、2〜10層が好ましい。   Next, in the case of an electroluminescent element, a hole transporting molecular layer composed of molecules as shown in FIG. 4a), a luminescent molecular layer composed of molecules as shown in FIG. 4b), and a structure as shown in FIG. 4c). It is preferable to include an electron transporting molecular layer made of a compound. The number of layers varies depending on the type of π-conjugated molecule, but in the case of a hole transporting molecular layer, 2 to 10 layers are in the case of a light emitting molecular layer, and in the case of 2 to 10 layers of an electron transporting molecular layer, 2 to 2 Ten layers are preferred.

ホール輸送性分子層と電子輸送性分子層は、ホール移動度と電子移動度のバランスを考慮して、類似の骨格のものが好ましい。例えば、ホール輸送性分子層にはエチニルベンゼンや1,4−ジエチニルベンゼンを、電子輸送性分子層にはエテニルピリジンやエチニルピリジンを用いるのが好ましい。   The hole transporting molecular layer and the electron transporting molecular layer are preferably of a similar skeleton in consideration of the balance between hole mobility and electron mobility. For example, ethynylbenzene or 1,4-diethynylbenzene is preferably used for the hole transporting molecular layer, and ethenylpyridine or ethynylpyridine is preferably used for the electron transporting molecular layer.

次に、第二電極層14は、光電変換素子、電界発光素子への応用を考慮すると、第一電極層よりも仕事関数の差が0.4eV以上低い材料からなることが好ましい。具体的な第一電極層と第二電極層との組み合わせとしては、陰極の安定性を考慮してITOとアルミニウムが挙げられる。   Next, the second electrode layer 14 is preferably made of a material having a work function difference lower than that of the first electrode layer by 0.4 eV or more in consideration of application to a photoelectric conversion element and an electroluminescence element. Specific combinations of the first electrode layer and the second electrode layer include ITO and aluminum in consideration of the stability of the cathode.

次に、本発明の有機デバイスの製造方法について、図1の有機デバイスの製造方法に対応する図5a)〜e)を用いて説明する。   Next, the manufacturing method of the organic device of this invention is demonstrated using FIG. 5 a)-e) corresponding to the manufacturing method of the organic device of FIG.

まず、基板11にスパッタ法、イオンプレーティング法、真空蒸着法、めっき法等により第一電極層12を形成させる(図5a))。第一電極層が基板を兼ねている場合は、この工程は不要である。この後、第一電極層12は、必要に応じて、酸素プラズマ処理を行うことによりシランカップリング剤と反応させるために第一電極層表面に水酸基を生成させる。   First, the first electrode layer 12 is formed on the substrate 11 by sputtering, ion plating, vacuum deposition, plating, or the like (FIG. 5a). This step is not necessary when the first electrode layer also serves as the substrate. Then, the 1st electrode layer 12 produces | generates a hydroxyl group on the surface of a 1st electrode layer in order to make it react with a silane coupling agent by performing oxygen plasma processing as needed.

次に、図5b)に示すように、第一電極層12上に図2c)で示すようなπ共役分子(シランカップリング剤)により、第一層目のπ共役分子層13−1を形成する。形成方法は、例えば、液相法、気相法等が挙げられる。液相法は、π共役分子をトルエンやアセトン等の溶媒に溶解させ、そこに第一電極層を数時間浸漬させることによりπ共役分子層を単分子層として形成させる方法である。一方、気相法は、耐熱、耐圧容器に第一電極層及びπ共役分子を入れ、加熱することで、π共役分子の蒸気と第一電極層との反応により、π共役分子層13−1を形成させる方法である。   Next, as shown in FIG. 5b), a first π-conjugated molecular layer 13-1 is formed on the first electrode layer 12 by a π-conjugated molecule (silane coupling agent) as shown in FIG. 2c). To do. Examples of the forming method include a liquid phase method and a gas phase method. The liquid phase method is a method in which a π-conjugated molecule layer is formed as a monomolecular layer by dissolving a π-conjugated molecule in a solvent such as toluene or acetone and immersing the first electrode layer there for several hours. On the other hand, in the vapor phase method, the first electrode layer and the π-conjugated molecule are placed in a heat-resistant, pressure-resistant vessel and heated, whereby the reaction between the vapor of the π-conjugated molecule and the first electrode layer causes the π-conjugated molecule layer 13-1. Is a method of forming

液相法ではπ共役分子が溶媒に溶けさえすれば使用できるため、数多くの分子に適応できる。特に、蒸気にするのが困難な分子量の大きいものには適する。しかし、トリアルコキシシランを含む低分子多官能性シランカップリング剤のような重合しやすい分子を使用する場合、液相法では、生成したオリゴマー成分が基板に吸着してしまうことがある。よって、低分子多官能性シランカップリング剤を用いる場合は気相法を使用することが好ましい。   Since the liquid phase method can be used as long as the π-conjugated molecule is dissolved in a solvent, it can be applied to many molecules. In particular, it is suitable for those having a large molecular weight that are difficult to be vaporized. However, when a molecule that is easily polymerized, such as a low-molecular polyfunctional silane coupling agent containing trialkoxysilane, is used, the generated oligomer component may be adsorbed to the substrate in the liquid phase method. Therefore, when using a low molecular polyfunctional silane coupling agent, it is preferable to use a gas phase method.

次に、第二層目以降のπ共役分子層の積層について説明する。
第二層目以降のπ共役分子層は、通常液相法で形成できる。すなわち、溶媒に第二層目に対応するπ共役分子を溶解させ、次いで反応触媒を溶液に加え、この後第一層目のπ共役分子層13−1が積層された基板を浸漬させ、撹拌することで、第二層目のπ共役分子層13−2を形成できる(図5c))。
Next, the lamination of the π-conjugated molecular layers after the second layer will be described.
The second and subsequent π-conjugated molecular layers can be usually formed by a liquid phase method. That is, the π-conjugated molecule corresponding to the second layer is dissolved in the solvent, then the reaction catalyst is added to the solution, and then the substrate on which the first π-conjugated molecule layer 13-1 is laminated is immersed and stirred. As a result, the second π-conjugated molecular layer 13-2 can be formed (FIG. 5c)).

次に、第二層目以降の繰り返し積層の手順について説明する。好ましい積層手法としては一つの分子内に一つずつ反応し得る官能基をもっている分子を繰り返し積層する方法と、同一の置換基を二つもつ分子と、それと反応する官能基を二つもつ分子とを交互積層する方法が好ましい。これについて、図6を用いて模式的に説明すると、前者の方法が(A−B型(図6a)))であり、後者の方法が(A−A+B−B型(図6b)))である。   Next, the procedure of repeated lamination after the second layer will be described. Preferred stacking methods include a method of repeatedly stacking molecules having functional groups that can react one by one in a molecule, a molecule having two identical substituents, and a molecule having two functional groups that react with the same. A method of alternately laminating is preferred. This will be schematically described with reference to FIG. 6. The former method is (A-B type (FIG. 6a))), and the latter method is (A-A + B-B type (FIG. 6b))). is there.

A−B型では、分子同士の自己反応を防ぐという理由から官能基Bが保護された分子A−B'(B’は保護された官能基B)を用い、A−B’を積層した後、脱保護を行うことが好ましい。この方法では、一種類の分子だけを用意すればよく、二種類の分子を使用する必要がないため、製造コストを低減できる。また、一種類の分子だけを使用するため最上層のπ共役分子層の表面に露出している官能基Bと、溶液中の分子の官能基Aとの反応形式が常に同じなので、積層手順が簡単という効果も生じる。   In the AB type, after using a molecule AB ′ (B ′ is a protected functional group B) in which the functional group B is protected for the purpose of preventing self-reaction between molecules, the AB ′ is laminated. It is preferable to perform deprotection. In this method, only one type of molecule needs to be prepared, and it is not necessary to use two types of molecules, so that the manufacturing cost can be reduced. Also, since only one kind of molecule is used, the reaction mode of the functional group B exposed on the surface of the uppermost π-conjugated molecular layer and the functional group A of the molecule in the solution is always the same. The effect of simplicity also occurs.

一方でA−A+B−B型ではA−B型のような官能基Bの保護、脱保護をする手間が少ない。また、例えば、分子サイズが小さく、剛直で、互いの官能基が遠い位置に付与されているπ共役分子を用いれば、π共役分子が基板と一置換で反応し、基板に対して略垂直方向に配列した分子層を積層できる。   On the other hand, in the AA + BB type, there is little trouble of protecting and deprotecting the functional group B as in the AB type. In addition, for example, if a π-conjugated molecule having a small molecular size, rigid, and a functional group attached to each other is used, the π-conjugated molecule reacts with the substrate in one substitution, and is substantially perpendicular to the substrate. It is possible to stack molecular layers arranged in a layer.

次に、具体的な官能基と反応様式で積層手順を説明する。図2d)に示すような官能基と反応様式の組み合わせを用いることでπ共役分子層をπ共役結合を維持して連結させることが可能である。例えば、アリールハライドとエチニルアリールとの薗頭カップリングによる積層ならば、穏和な条件下で、高収率に平面性が高いアリーレンエチニレン骨格のπ共役分子からなる有機層を得ることができる。また、アリールホウ素化合物とハロゲン化アリールとの鈴木カップリングによる積層ならば、ターフェニレン、ターチオフェンのような多環式のπ共役分子からなる有機層を得ることが可能となる。   Next, the lamination procedure will be described with specific functional groups and reaction modes. By using a combination of a functional group and a reaction mode as shown in FIG. 2d), it is possible to connect the π-conjugated molecular layers while maintaining the π-conjugated bond. For example, in the case of stacking by Sonogashira coupling of an aryl halide and ethynylaryl, an organic layer composed of a π-conjugated molecule of an arylene ethynylene skeleton having high planarity and high yield can be obtained under mild conditions. Further, if the lamination is performed by Suzuki coupling of an aryl boron compound and an aryl halide, an organic layer composed of a polycyclic π-conjugated molecule such as terphenylene or terthiophene can be obtained.

よって、このような積層方法によれば、キャリアの輸送方向と同じ方向にπ共役分子が配列し、その形成されたπ共役分子鎖を導電パスとして利用できる。そのため、キャリアの輸送効率が増加し、有機EL素子であれば発光効率の向上、有機太陽電池であれば変換効率の向上という効果を生じる。   Therefore, according to such a stacking method, π-conjugated molecules are arranged in the same direction as the carrier transport direction, and the formed π-conjugated molecular chain can be used as a conductive path. Therefore, the carrier transport efficiency is increased, and if it is an organic EL element, the light emission efficiency is improved, and if it is an organic solar cell, the conversion efficiency is improved.

また、一般に高次に連結され、共役π電子数の多いπ共役分子は、難溶性で分子量が大きい。そのため、先にこのπ共役分子を合成し、その後に液相又は気相法により、基板に固定化するのは非常に困難である。これに対して、本発明によれば、固相表面で反応が繰り返されるため、分子が溶媒に溶解すれば、最終的に形成される有機層を構成する化合物の溶解性を気にせず、デバイス設計できる。また、積層段階での有機層厚の自由な制御やπ共役鎖長の自由な設計ができる。その結果、HOMO、LUMOの制御が可能になることや、π共役分子合成後の精製の手間が省けるという効果を生じる(図5d))。   In general, a π-conjugated molecule that is linked to a higher order and has a large number of conjugated π-electrons has poor solubility and a large molecular weight. Therefore, it is very difficult to first synthesize this π-conjugated molecule and then immobilize it on a substrate by a liquid phase or gas phase method. On the other hand, according to the present invention, since the reaction is repeated on the solid surface, if the molecule is dissolved in the solvent, the solubility of the compound constituting the finally formed organic layer is not considered, and the device Can design. In addition, the organic layer thickness can be freely controlled and the π-conjugated chain length can be freely designed at the stacking stage. As a result, it becomes possible to control HOMO and LUMO and to save the purification work after the π-conjugated molecule synthesis (FIG. 5d).

次に、上記のような積層方法を利用したpn接合型光電変換機能と電界発光機能をもった有機層の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing an organic layer having a pn junction photoelectric conversion function and an electroluminescence function using the above lamination method will be described.

pn接合型光電変換機能を付与したデバイスの場合は、図3a)に示すようなp型を示すπ共役分子層を繰り返し積層することによりp層を形成し、次に図3b)に示すようなn型を示すπ共役分子層を繰り返し積層することによりn層を形成することで有機層を製造することが好ましい。この時、積層することにより得られるp層、n層の厚さは、大きいほど、光照射により生成したエキシットン量は増加する。また、分子鎖を導電パスとして利用できるため、エキシットンの移動度は高く、高い変換効率が可能となる。   In the case of a device having a pn junction photoelectric conversion function, a p-layer is formed by repeatedly laminating π-conjugated molecular layers exhibiting p-type as shown in FIG. 3a), and then as shown in FIG. 3b). It is preferable to produce an organic layer by forming an n layer by repeatedly laminating n-type π-conjugated molecular layers. At this time, the amount of excitons generated by light irradiation increases as the thickness of the p layer and n layer obtained by stacking increases. Moreover, since the molecular chain can be used as a conductive path, the mobility of excitons is high, and high conversion efficiency is possible.

また、電界発光機能を付与したデバイスの場合は、図4に示すようなホール輸送性分子を繰り返し積層してホール輸送層を形成し、発光性分子を繰り返し積層して発光層を形成し、電子輸送性分子を繰り返し積層して電子輸送層を形成することで有機層を製造することが好ましい。得られた有機層は、分子鎖を導電パスとしたキャリア輸送性を向上できるという効果と、発光性分子が一方向に配向しているため、光が散乱することなく放出され、高輝度、高発光効率のデバイスが得られるという効果を生じる。   In the case of a device having an electroluminescent function, a hole transport layer as shown in FIG. 4 is repeatedly laminated to form a hole transport layer, and a light emitting molecule is repeatedly laminated to form a light emitting layer. It is preferable to produce an organic layer by repeatedly stacking transportable molecules to form an electron transport layer. The obtained organic layer has the effect of improving the carrier transport property using the molecular chain as a conductive path, and the light emitting molecules are oriented in one direction, so that the light is emitted without scattering, and has high brightness and high This produces an effect that a device with luminous efficiency can be obtained.

そして、最後に第二電極層14を形成する方法を説明する。第二電極層14は、有機層上に、スパッタ法、イオンプレーティング法、真空蒸着法、めっき法等により形成できる。第二電極層14を形成することで、図1のデバイスを作製できる(図5e))。   Finally, a method for forming the second electrode layer 14 will be described. The second electrode layer 14 can be formed on the organic layer by sputtering, ion plating, vacuum deposition, plating, or the like. By forming the second electrode layer 14, the device of FIG. 1 can be produced (FIG. 5e)).

図7a)〜図8i)は本発明の有機光電変換素子の作製方法を模式的に示したものである。
まず、図7a)に示すように25×25mmの石英基板71上に第一電極層としてITO電極72を形成した。その後、塩酸を用いてエッチングしてパターニングを行い、クロロホルムで20分超音波洗浄し、アセトンとエタノールの混合溶液で20分洗浄した。次に図7b)に示すように酸素プラズマにより表面を水酸基化処理した。
7a) to 8i) schematically show a method for producing the organic photoelectric conversion element of the present invention.
First, as shown in FIG. 7a), an ITO electrode 72 was formed as a first electrode layer on a quartz substrate 71 of 25 × 25 mm. Thereafter, etching was performed using hydrochloric acid to perform patterning, and ultrasonic cleaning was performed with chloroform for 20 minutes, followed by 20 minutes with a mixed solution of acetone and ethanol. Next, as shown in FIG. 7b), the surface was subjected to hydroxylation treatment with oxygen plasma.

次に、図7c)に示すように第一層目のπ共役分子層73を形成した。具体的には、テフロン(登録商標)シャーレにジメチルエトキシエチニルシラン0.10mol/lのトルエン溶液50mlを注ぎ、これに基板を浸漬した後、40℃に加熱し、3時間撹拌した。トルエンで洗浄した後、アセトンで超音波洗浄することでπ共役分子層73を得た。   Next, as shown in FIG. 7c), a first π-conjugated molecular layer 73 was formed. Specifically, 50 ml of a 0.10 mol / l toluene solution of dimethylethoxyethynylsilane was poured into a Teflon (registered trademark) petri dish, the substrate was immersed therein, heated to 40 ° C., and stirred for 3 hours. After washing with toluene, the π-conjugated molecular layer 73 was obtained by ultrasonic washing with acetone.

紫外可視分光光度計による吸光度測定を行ったところ、基板への吸着分子量は5.8×10-10mol/cm-2であった(ジメチルエトキシエチニルシランのモル吸光係数から計算した)。ちなみにジメチルエトキシエチニルシランを電極層上に最密充填で敷き詰めた時の計算上の吸着分子量は5.3×10-10mol/cm-2であるから、得られたπ共役分子層73は、高密度に配列していることが支持された。 When the absorbance was measured with an ultraviolet-visible spectrophotometer, the molecular weight adsorbed on the substrate was 5.8 × 10 −10 mol / cm −2 (calculated from the molar extinction coefficient of dimethylethoxyethynylsilane). Incidentally, since the calculated adsorption molecular weight when dimethylethoxyethynylsilane is spread on the electrode layer in the closest packing is 5.3 × 10 −10 mol / cm −2 , the obtained π-conjugated molecular layer 73 is It was supported that it was arranged in high density.

また、分光エリプソメーターによる膜厚測定を行ったところ、3.6Åの増加が確認された。一方、Gaussian03パッケージPM3(GAUSSIAN,INC.社製)の構造最適化計算により、ジメチルエトキシエチニルシランがITO電極上に垂直に立ち、かつ水酸基と結合した時の構造最適化を行った。その結果、末端アセチレン水素の電極からの高さは3.1Åで、第一電極層に対してアセチレンは56°の配向で立っている場合が計算上もっとも最適な構造である。得られた膜厚から、ジメチルエトキシエチニルシランが高密度に配列され、略垂直方向(電極に対して77°)に配向していることが確認できた。   When the film thickness was measured with a spectroscopic ellipsometer, an increase of 3.6 mm was confirmed. On the other hand, structural optimization was performed when dimethylethoxyethynylsilane was standing vertically on the ITO electrode and bonded to a hydroxyl group by structural optimization calculation of Gaussian 03 package PM3 (manufactured by GAUSSIAN, INC.). As a result, the height of the terminal acetylene hydrogen from the electrode is 3.1 mm, and the case where the acetylene stands in an orientation of 56 ° with respect to the first electrode layer is the most optimal structure in calculation. From the obtained film thickness, it was confirmed that dimethylethoxyethynylsilane was arranged at high density and oriented in a substantially vertical direction (77 ° with respect to the electrode).

次に、図7d)に示すように、p型分子層74を形成した。第二層目形成用の分子として(4−ブロモ−フェニルエチニル)トリメチルシラン(2.53g、10.0mmol)を使用し、これに塩化パラジウム(0.0177g、0.100mmol)、ヨウ化銅(0.0143g、0.200mmol)、トリフェニルホスフィン(0.0525g、0.200mmol)を加えた混合物をジエチルアミン(100ml)とテトラヒドロフラン(40ml)に溶解させた。得られた溶液に第一層目が積層された基板を加え、室温で6時間攪拌した。基板を取り出し、THFで洗浄後、水超音波洗浄により、付着したアミン塩を除去した。図7d)中、TMSはトリメチルシリル基を意味する。   Next, as shown in FIG. 7d), a p-type molecular layer 74 was formed. (4-Bromo-phenylethynyl) trimethylsilane (2.53 g, 10.0 mmol) was used as a molecule for forming the second layer, and palladium chloride (0.0177 g, 0.100 mmol), copper iodide ( 0.0143 g, 0.200 mmol) and triphenylphosphine (0.0525 g, 0.200 mmol) were added and dissolved in diethylamine (100 ml) and tetrahydrofuran (40 ml). The board | substrate with which the 1st layer was laminated | stacked was added to the obtained solution, and it stirred at room temperature for 6 hours. The substrate was taken out, washed with THF, and the attached amine salt was removed by ultrasonic cleaning with water. In FIG. 7d), TMS means a trimethylsilyl group.

分光エリプソメーターによる膜厚測定を行ったところ10.8Åの増加が確認された(計算値10.3Å(77°配向時))。   When the film thickness was measured with a spectroscopic ellipsometer, an increase of 10.8 mm was confirmed (calculated value 10.3 mm (at 77 ° orientation)).

更に、図7e)に示すように、脱保護を行った。トリメチルシリル基の保護基を脱離させるため、テフロンシャーレに0.01mmol/l水酸化カリウム水溶液を加え、そこに基板を浸漬させ、1時間室温で撹拌した。水で超音波洗浄した後、分光エリプソメーターによる膜厚測定を行ったところ4.0Åの減少が確認された(計算値3.8Å(77°配向時))。また、紫外可視分光光度計による吸光度測定を行ったところ、330nmに最大吸収波長のスペクトルを示し、吸光度の増加が確認された。このことより、高収率に第二層目が積層され、略垂直方向に配向していることが支持された。   Furthermore, deprotection was performed as shown in FIG. In order to remove the protective group for the trimethylsilyl group, a 0.01 mmol / l potassium hydroxide aqueous solution was added to a Teflon petri dish, and the substrate was immersed therein and stirred at room temperature for 1 hour. After ultrasonic cleaning with water, the film thickness was measured with a spectroscopic ellipsometer, and a decrease of 4.0 mm was confirmed (calculated value: 3.8 mm (at 77 ° orientation)). Further, when the absorbance was measured with an ultraviolet-visible spectrophotometer, the spectrum of the maximum absorption wavelength was shown at 330 nm, and an increase in absorbance was confirmed. From this, it was supported that the second layer was laminated in a high yield and oriented in a substantially vertical direction.

次に、上記図7d)及びe)を繰り返すことで、図7f)に示すように第三層目以降を積層した。具体的には、二層目積層と同様な条件で(4−ブロモ−フェニルエチニル)トリメチルシランを積層し、その脱保護を行った。この操作を繰り返すことにより第6層まで積層した。この有機層の紫外可視分光光度計の吸光度測定によるスペクトルの最大吸収波長は550nm、分光エリプソメーター測定による電極からの膜厚は45.4Å(計算値47.2Å(77°配向時))であった。   Next, the third and subsequent layers were laminated as shown in FIG. 7f) by repeating FIG. 7d) and e). Specifically, (4-bromo-phenylethynyl) trimethylsilane was laminated under the same conditions as in the second layer lamination, and deprotection was performed. By repeating this operation, up to the sixth layer was laminated. The maximum absorption wavelength of the spectrum obtained by measuring the absorbance of the organic layer with an ultraviolet-visible spectrophotometer was 550 nm, and the film thickness from the electrode measured with a spectroscopic ellipsometer was 45.4 mm (calculated value 47.2 mm (at 77 ° orientation)). It was.

次に、図8i)に示すようにn型分子層75を形成した。
上述の第二層目の積層手順で(4−ブロモ−フェニルエチニル)トリメチルシランのところをn型分子層の前駆体として2−ブロモ−5−トリメチルシリルエチニルピリジン(2.54g、10mmol)に変更したこと以外は同様の手順で積層を繰り返し行った(図8g)、図8h))。この有機層の紫外可視分光光度計の吸光度測定によるスペクトルの最大吸収波長は600nm、分光エリプソメーター測定による電極からの膜厚は82.9Å(計算値86.1Å(77°配向時))であった。
Next, an n-type molecular layer 75 was formed as shown in FIG.
In the second layer lamination procedure, (4-bromo-phenylethynyl) trimethylsilane was changed to 2-bromo-5-trimethylsilylethynylpyridine (2.54 g, 10 mmol) as a precursor of the n-type molecular layer. Except for this, lamination was repeated in the same procedure (FIG. 8g), FIG. 8h)). The maximum absorption wavelength of the spectrum obtained by measuring the absorbance of the organic layer with an ultraviolet-visible spectrophotometer was 600 nm, and the film thickness from the electrode by the spectroscopic ellipsometer was 82.9 mm (calculated value 86.1 mm (at 77 ° orientation)). It was.

次に、第二電極層76を形成した。n型π共役分子層の上に、Alの2×25mmのパターンを形成できるマスクを付け、真空蒸着法によりAl電極(第二電極層)74を形成し、有機太陽電池を作製した(図8j))。   Next, the second electrode layer 76 was formed. A mask capable of forming an Al 2 × 25 mm pattern was attached on the n-type π-conjugated molecular layer, and an Al electrode (second electrode layer) 74 was formed by vacuum deposition to produce an organic solar cell (FIG. 8j). )).

次に、太陽電池特性の測定を行った。測定はすべて空気中で行い、光源として150Wハロゲンタングステンランプからの白色光を有機太陽電池上に集光したものを用いた。光パワーメーターで測定した光強度は2mW/cm2であった。光電変換効率を求めるために電流−電圧特性は電圧をかけながらエレクトロメーターで電流値を測定し、GP−IBインターフェイスによりコンピューターに取り込み記録した。この電流−電圧曲線により開放起電力(Voc)、短絡光電流密度(Jsc)、フィルファクター(FF)及び光電変換効率(η)といった太陽電池特性を求めた。 Next, the solar cell characteristics were measured. All measurements were performed in air, and white light from a 150 W halogen tungsten lamp was collected on the organic solar cell as a light source. The light intensity measured with an optical power meter was 2 mW / cm 2 . In order to determine the photoelectric conversion efficiency, the current-voltage characteristics were measured by measuring the current value with an electrometer while applying a voltage, and recorded in a computer through a GP-IB interface. Solar cell characteristics such as open electromotive force (Voc), short-circuit photocurrent density (Jsc), fill factor (FF), and photoelectric conversion efficiency (η) were determined from this current-voltage curve.

開放起電力:0.55Vであり、短絡光電流密度:−5.4×10-2mA/cm2であり、フィルファクター:0.70であり、光電変換効率:1.0%であった。 Open electromotive force: 0.55 V, short-circuit photocurrent density: -5.4 × 10 −2 mA / cm 2 , fill factor: 0.70, photoelectric conversion efficiency: 1.0% .

ここで、フィルファクターはFF=(有機太陽電池の作動により実際取り出すことのできる最大出力/有機太陽電池が理想的に作動すれば取り出すことのできるJsc×Vocワットの出力)とする割合で与えられる値である。更に光電変換効率は、η(%)=(取り出すことができた電気出力/入射した光エネルギー)×100により与えられる値である。   Here, the fill factor is given by a ratio of FF = (maximum output that can be actually extracted by the operation of the organic solar cell / output of Jsc × Voc watt that can be extracted if the organic solar cell is ideally operated). Value. Further, the photoelectric conversion efficiency is a value given by η (%) = (electric output that can be taken out / incident light energy) × 100.

上記有機太陽電池によれば、キャリアの輸送方向と同じ方向にπ共役分子が配列し、π共役分子鎖を導電パスとして利用できるため、キャリアの輸送効率が増加し、変換効率の向上が可能となった。これにより、より効率の高いデバイスを作製することができた。   According to the organic solar cell, π-conjugated molecules are arranged in the same direction as the carrier transport direction, and the π-conjugated molecular chain can be used as a conductive path, so that carrier transport efficiency increases and conversion efficiency can be improved. became. As a result, a more efficient device could be fabricated.

本発明の有機デバイスの概略図である。It is the schematic of the organic device of this invention. 本発明の有機デバイスに使用できるπ共役化合物の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of (pi) conjugated compound which can be used for the organic device of this invention. 本発明の有機デバイスに使用できるπ共役化合物の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of (pi) conjugated compound which can be used for the organic device of this invention. 本発明の有機デバイスに使用できるπ共役化合物の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of (pi) conjugated compound which can be used for the organic device of this invention. 本発明の有機デバイスの製造工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacturing process of the organic device of this invention. 本発明の有機デバイスの製造工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacturing process of the organic device of this invention. 実施例の有機太陽電池の製造工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacturing process of the organic solar cell of an Example. 実施例の有機太陽電池の製造工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacturing process of the organic solar cell of an Example.

符号の説明Explanation of symbols

11:基板、12:第一電極層、13:π共役分子層、14:第二電極層、15:有機分子(π共役分子)、13−1:第一層目のπ共役分子層、13−2:第二層目のπ共役分子層、71:石英基板、72:ITO電極、73:第一層目のπ共役分子層、74:p型分子層、75:n型分子層、76:Al電極 11: Substrate, 12: First electrode layer, 13: π-conjugated molecular layer, 14: Second electrode layer, 15: Organic molecule (π-conjugated molecule), 13-1: First π-conjugated molecular layer, 13 -2: π-conjugated molecular layer of second layer, 71: quartz substrate, 72: ITO electrode, 73: π-conjugated molecular layer of first layer, 74: p-type molecular layer, 75: n-type molecular layer, 76 : Al electrode

Claims (8)

第一電極層と、有機層と、第二電極層とをこの順序で備え、前記有機層は複数のπ共役分子層からなり、前記第一電極層と接するπ共役分子層は、前記第一電極層と共有結合し、前記第一電極層表面に対して略垂直方向に配向し、また、隣接する前記π共役分子層同士は共有結合し、前記π共役分子層は、直線構造を有するπ共役分子から構成され、前記有機層が、芳香族化合物に由来するπ共役分子層とアセチレンに由来するπ共役分子層とが交互に共有結合された積層構造を有することを特徴とした有機デバイス。 The first electrode layer, the organic layer, and the second electrode layer are provided in this order, and the organic layer includes a plurality of π-conjugated molecular layers, and the π-conjugated molecular layer in contact with the first electrode layer is the first electrode layer. Covalently bonded to the electrode layer, oriented in a direction substantially perpendicular to the surface of the first electrode layer, adjacent π-conjugated molecular layers are covalently bonded, and the π-conjugated molecular layer has a linear structure is composed of a conjugated molecule, wherein the organic layer was characterized Rukoto that the aromatics π-conjugated molecular layer derived from the product and π-conjugated molecular layer derived from the acetylene having a layered structure which is covalently bonded alternately organic device. 前記π共役分子が、主鎖方向において、平面性の高い構造を有するπ共役分子から構成されることを特徴とした請求項1記載の有機デバイス。 The organic device according to claim 1 , wherein the π-conjugated molecule is composed of a π-conjugated molecule having a structure with high planarity in the main chain direction. 前記複数のπ共役分子層を構成する複数のπ共役分子のいずれかが、複素環を含む分子から構成されることを特徴とした請求項1又は2に記載の有機デバイス。   3. The organic device according to claim 1, wherein any one of the plurality of π-conjugated molecules constituting the plurality of π-conjugated molecular layers is composed of a molecule containing a heterocyclic ring. 前記複数のπ共役分子が、p型半導体を示すπ共役分子とn型半導体を示すπ共役分子から構成され、前記有機層が、前記第一電極層側にp型半導体を示すπ共役分子の層を備え、前記第二電極層側にn型半導体を示すπ共役分子の層を備えることを特徴とした請求項1〜3のいずれか1つ記載の有機デバイス。 The plurality of π-conjugated molecules are composed of π-conjugated molecules indicating a p-type semiconductor and π-conjugated molecules indicating an n-type semiconductor, and the organic layer is a π-conjugated molecule indicating a p-type semiconductor on the first electrode layer side. The organic device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a layer of π-conjugated molecules including an n-type semiconductor on the second electrode layer side. 第一電極層上に、第一層目のπ共役分子層を前記第一電極層と共有結合させつつ前記第一電極層表面に対して略垂直方向に配向するように積層する第一の工程と、前記第一層目のπ共役分子層上に、隣接するπ共役分子層と共有結合させつつ、第二層目以降のπ共役分子層を積層する第二の工程と、第一及び第二の工程で得られた複数のπ共役分子層からなる有機層上に第二電極層を形成させる第三の工程からなり、前記π共役分子層は、直線構造を有するπ共役分子から構成され、前記有機層が、芳香族化合物に由来するπ共役分子層とアセチレンに由来するπ共役分子層とが交互に共有結合された積層構造を有することを特徴とする有機デバイスの製造方法。 A first step of laminating a first π-conjugated molecular layer on the first electrode layer so as to be oriented in a substantially vertical direction with respect to the surface of the first electrode layer while being covalently bonded to the first electrode layer. And a second step of laminating the second and subsequent π-conjugated molecular layers on the first π-conjugated molecular layer while covalently bonding to adjacent π-conjugated molecular layers, Comprising a third step of forming a second electrode layer on an organic layer comprising a plurality of π-conjugated molecular layers obtained in two steps, wherein the π-conjugated molecular layer is composed of π-conjugated molecules having a linear structure. the organic layer is method of manufacturing an organic device characterized by Rukoto that having a stacked structure in which a π-conjugated molecular layer derived from π-conjugated molecular layer and acetylene derived from an aromatic compound is covalently bonded alternately. 前記第二工程におけるπ共役分子層が、互いに離れた位置に二つの官能基をもつπ共役分子から由来し、積層方向に隣接する官能基の縮合反応を繰り返すことで複数積層されることを特徴とする請求項5に記載の有機デバイスの製造方法。 The π-conjugated molecular layer in the second step is derived from a π-conjugated molecule having two functional groups at positions apart from each other, and a plurality of layers are stacked by repeating a condensation reaction of functional groups adjacent in the stacking direction. The manufacturing method of the organic device of Claim 5 . 前記二つの官能をもつπ共役分子が、その一方の官能基が保護された分子であり、前記第二工程におけるπ共役分子層を、前記保護された分子の他方の官能基をπ共役分子層の官能基と縮合反応させることで積層する工程と、保護された分子を脱保護する工程とを繰り返すことで複数積層される工程を含む請求項に記載の有機デバイスの製造方法。 The π-conjugated molecule having the two functional groups is a molecule in which one functional group is protected, the π-conjugated molecule layer in the second step is used, and the other functional group of the protected molecule is used as the π-conjugated molecule. The manufacturing method of the organic device of Claim 6 including the process laminated | stacked by repeating the process laminated | stacked by making it react with the functional group of a layer, and the process deprotecting the protected molecule | numerator. 前記共有結合が、アリールハライドとエチニルアリールとのクロスカップリング、又はアリールホウ素化合物とハロゲン化アリールとのクロスカップリングにより形成されることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1つに記載の有機デバイスの製造方法。 The said covalent bond is formed by the cross coupling of an aryl halide and ethynyl aryl, or the cross coupling of an aryl boron compound and an aryl halide, As described in any one of Claims 5-7 characterized by the above-mentioned. Manufacturing method of organic device.
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