JP4574975B2 - 自己組織化ポリマーを用いる方法及びデバイス - Google Patents
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Description
以下の文献も関連文献とすることができる。
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M.Leclercの「Optical and Electrochemical Transducers Based on Functonalized Conjugated Polymers」、Adv.Mater.、Vol.11、No.18、pp1491−1498(1999)
Yiliang Wuらの米国特許出願番号 (代理人整理番号D/A2395号。本出願と同日出願)
本発明では、選択した液体中のポリマーの溶解性が減少したことに応じて構造秩序を増大させることができる何らかの適切な自己組織化が可能なポリマーを用いることができる。分子の自己組織化とは、液体中での溶解作用のような刺激に応じて、分子が分子自体を組織化して分子及び分子間の構造秩序を高度にすることができる能力をいう。実施形態において、1つ、2つ、3つ、又はそれ以上の自己組織化ポリマーを用いることができる。自己組織化ポリマーは、液体中で沈殿する場合もあり、しない場合もある。本発明の実施形態において、自己組織化ポリマーと液体とからなる組成物はゲル化しない。
液体の飽和溶液中のポリマー濃度が、一般的な堆積技術を用いて意図する用途に有用な薄いポリマー層を作るのに十分に高くない場合には、ポリマーは、その液体中で溶解性が不十分であるとみなすことができる。一般に、特定の液体中でのポリマーの濃度が、重量で約0.1パーセント未満の場合には、その液体の溶解性が不十分と判断される。ポリマーは、室温で液体中の溶解性が低くても、室温より高く加熱することにより、一般に、その溶解性を増大させることができる。
「室温」という語句は、約22から約25℃までの範囲の温度を言う。
実施形態において、自己組織化ポリマーは、例えば、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニレン誘導体、ポリフルオレン、フルオレンコポリマー、及びラダーポリマーのような共役ポリマーとすることができる。
例示的なポリチオフェン類には、例えば、次のものが含まれる。
例示的なポリフルオレン及びフルオレンコポリマーには、例えば、以下のものが含まれる。
本明細書で用いる「高温」とは、室温を超え、選択した液体の沸点又はそれ以上までの範囲の温度(1気圧又はそれ以上の圧力で)をいい、例えば、約40〜約180℃、特に約50〜約120℃である。
この液体は、室温又は高温でポリマーに対し、平均から優れた溶媒とすることができる。液体は、例えば、クロロホルム、テトラヒドロフラン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ニトロベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン、トリクロロエタン、1,1,2,2−クロロエタン、又はその混合物とすることができる。
各技術の何らかの組み合わせを用いて、例えば、本明細書に記載するように別の液体及び温度の制御の両方を用いて、溶解したポリマー分子の溶解性を減少させることができる。
組成物の層を堆積させる間には、該組成物は、何らかの適切な温度とすることができる。実施形態において、堆積は、高温より低い「低温」で行うことができる。「低温」とは、室温より低い温度から高温より低い温度までの温度範囲とすることができ、例えば、約10〜約80℃、詳細には約20〜約40℃、特に室温とすることができる。低温が室温より低い温度の場合には、適切な冷却装置を用いて、これを達成することができる。
図2は、基板36と、ゲート電極38と、ソース電極40及びドレイン電極42と、絶縁層34と、有機半導体層32とからなる別のTFT構造30を概略的に示した図である。
図3は、基板及びゲート電極の両方として働く高濃度にn型ドープされたシリコンウェーハ56と、熱成長させたシリコン酸化絶縁層54と、上部にソース電極60及びドレイン電極62を置いた有機半導体層52とからなる別のTFT構造50を概略的に示した図である。
図4は、基板76、ゲート電極78、ソース電極80、ドレイン電極82、有機半導体層72、及び絶縁層74からなる別のTFT構造70を概略的に示した図である。
基板は、例えば、シリコン、ガラスプレート、プラスチックフィルム又はシートからなるものとすることができる。構造的に可撓性のデバイスでは、例えば、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミドシート及び同様のもののようなプラスチック基板が好ましいとすることができる。基板の厚さは、約10マイクロメートルから10ミリメートルを超える厚さとすることができ、例示的な厚さは、特に可撓性のプラスチック基板については約50〜約100マイクロメートルであり、ガラス又はシリコンのような硬い基板については約1〜約10ミリメートルとすることができる。
TFTデバイスは、幅W長さLの半導体チャネルを含む。半導体チャネルの幅は、例えば、約1マイクロメートル〜約5ミリメートルとすることができ、特定のチャネル幅は、約5マイクロメートル〜約1ミリメートルである。半導体チャネル長さは、例えば、約1マイクロメートル〜約1ミリメートルとすることができ、特定のチャネル長さは、約5マイクロメートル〜100マイクロメートルである。
電気性能特性に関しては、構造的に秩序化したポリマーを含む半導体層は、キャリアの移動度が、例えば、10-3cm2/Vs(センチメートル2/ボルト秒)より大きく、導電率が、例えば、約10-5S/cm(ジーメンス/センチメートル)より小さい。本方法により生成する薄膜トランジスタのオン/オフ比は、20℃で、例えば約103より大きい。オン/オフ比という語句は、トランジスタオフ時のソース−ドレイン電流に対するトランジスタオン時のソース−ドレイン電流の比を言う。
次に、特定の好ましい実施形態に関して本発明を詳細に記載するが、これらの実施例は、例証としてだけを意図しており、本発明は、本明細書に記載した材料、条件、又は方法のパラメータに限定されるものではないことを理解されたい。全てのパーセント及び割合は、特に示さなければ重量によるものである。
以下の手順を用いて、ポリチオフェン、すなわちポリ[2,5−ビス(2−チエニル)−3,4−ジオクチルチオフェン](例示的なポリチオフェンのリストで先に記載した構造式(2)を有する)を合成した。
i)モノマーの合成
ポリチオフェン(2)を作製するためのモノマー2,5−ビス(5−ブロモ−2−チエニル)−3,4−ジオクチルチオフェンを次のように合成した。
3,4−ジオクチルチオフェン: 氷浴で冷却した500ミリリットルの丸底フラスコに不活性雰囲気下で、よくかき混ぜたジクロロ[1,3−ビス(ジフェニルフォスフィノ)−プロパン]ニッケル(II)(0.2グラム)及び3,4−ジブロモチオフェン(20.16グラム、0.0833モル)の200ミリリットル無水エーテル溶液混合物を入れ、これに、2Mの臭化オクチルマグネシウム(100ミリリットル、0.2モル)の無水エチルエーテル溶液を加えた。ニッケル錯体が、直ちにグリニヤール試薬と反応して得られた反応混合物を室温まで温めた。30秒以内に発熱反応が始まり、エチルエーテルが穏やかに還流し始めた。室温で更に2時間攪拌した後、反応混合物を6時間還流し、次に、氷浴で冷却し、水性2N塩化水素で加水分解した。有機層が分離され、これを水、塩水、及び再び水で順に洗い、無水硫酸ナトリウムの上で乾燥させ、濾過した。溶媒を蒸発させた後、Kugelrohr装置を用いて残渣を減圧下で蒸留すると、無色の液体として21.3グラムの3,4−ジオクチルチオフェンが得られた。
1H NMR(CDCl3):δ6.89(s、2H)、2.50(t、J=7.0Hz、4H)、1.64〜1.58(m、4H)、1.40〜1.28(m、20H)、0.89(t、J=6.5Hz、6H);13C NMR(CDCl3):δ142.1、119.8、31.9、29.6(2C)、29.5、29.3、28.8、22.7、14.1
1H NMR(CDCl3):δ2.50(t、J=7.0Hz、4H)、1.52〜1.28(m、24H)、0.89(t、J=6.5Hz、6H)
1H NMR(CDCl3):δ7.31(dd、J=3.2、0.5Hz、2H)、7.13(dd、J=2.2、0.5Hz、2H)、7.06(dd、J=2.2、4.5Hz、2H)、2.68(dd、J=7.6、7.6Hz、4H)、1.59〜1.53(m、4H)、1.42〜1.27(m、20H)、0.91(t、J=6.5Hz、6H)
1H NMR(CDCl3):δ7.06(d、J=3.5Hz、2H)、6.86(d、J=3.5Hz、2H)、2.62(dd、J=7.3、7.3Hz、4H)、1.55〜1.49(m、4H)、1.41〜1.28(m、20H)、0.89(t、J=6.5Hz、6H);13C NMR(CDCl3)δ140.6、137.4、130.2、129.3、126.2、112.0、31.9、30.8、29.8、29.2(2C)、28.1、22.7、14.2
1H NMR(CDCl3):δ7.30、7.13、7.05、2.73、1.59、1.45、1.29、0.89;13C NMR(CDCl3):δ140.4、136.7、135.1、129.8、126.4、123.9、31.9、30.7、29.9、29.3、28.3、22.7、14.2
ポリマーを、まず、2重量パーセントレベルで良好な溶媒となるクロロベンゼンに溶解した。この溶液は、0.2μmシリンジフィルタを通して濾過した。次に、ヘキサンのような貧溶媒を振盪又は攪拌しながら容量で約50%の量をゆっくりと加えた。ポリマーの沈殿は観察されなかった。混合物(ポリマー、クロロベンゼン、及びヘキサン)は、極めて安定であった。これは、沈殿させることなく、室温で数週にわたって保存することができる。この混合物は、装置を製造する準備が整った。
吸光度及び光波長をグラフ上にプロットし、ポリマーのソルバトクロミズムを実際に示した。ヘキサンを加えた後の溶液吸収スペクトルで長波長の肩に注目することができ、これは、ヘキサンを加える量を増やすと更に顕著に赤方偏位した。この赤方偏移は、ポリマー鎖が共平面構造であり、ヘキサンを加えることによりポリマー鎖間に強力な相互作用が生じるために起こる。
この実施例では、主な試験用のデバイス構造として、図1に概略的に記載したような底部接点式の薄膜トランジスタ構造を選択した。底部接点式の試験用デバイスは、一連のフォトリソグラフィー法により予めパターンを付けたトランジスタ誘電層と、ガラス基板上にチャネルの幅及び長さが形成された電極とからなるものであった。ガラス基板上のゲート電極は、厚さが約80ナノメートルのクロムからなるものであった。絶縁層は、キャパシタンスが約22nF/cm2(ナノファラッド/平方センチメートル)で、厚さ300ナノメートルの窒化シリコンであった。この絶縁層の上に、真空蒸着により、厚さ約100ナノメートルの金からなるソース接点及びドレイン接点をコートした。次に、前記組成物(ポリマー、クロロベンゼン、及びヘキサン)でのスピンコーティングにより、厚さ約30ナノメートル〜100ナノメートルのポリチオフェン半導体層を堆積した。スピンコーティングは、スピン速度1000rpm、約35秒間で達成した。得られたコートされたデバイスは、80℃の真空中で20時間乾燥し、このようにして評価の準備が整った。
ISD=Ciμ(W/2L)(VG−VT)2 (1)
式中、ISDは、飽和状態でのドレイン電流であり、W及びLは、それぞれ半導体チャネルの幅及び長さ、Ciは、絶縁層の単位面積当たりのキャパシタンス、VG及びVTは、それぞれゲート電圧及び閾値電圧である。デバイスのVTは、測定したデータをISD=0に外挿することにより、飽和状態でのISDの平方根とデバイスのVGとの関係から求めた。
薄膜トランジスタにとって重要な特性は、その電流オン/オフ比であり、これは、ゲート電圧VGがドレイン電圧VD以上である場合の飽和ソース−ドレイン電流と、ゲート電圧VGがゼロである場合のソース−ドレイン電流との比である。
寸法がW(幅)=1,000μm、L(長さ)=5μmの少なくとも5つの薄膜トランジスタを作製した。
12 有機半導体層
14 絶縁層
16 基板
18 金属接点(ゲート電極)
20 金属接点(ソース電極)
22 金属接点(ドレイン電極)
Claims (1)
- 液体と、少なくとも部分的に前記液体に溶解して溶解ポリマー分子となったポリチオフェンの自己組織化ポリマーとを含む組成物を生成する工程、
前記溶解ポリマー分子の溶解性を減少させ、前記組成物中に構造的に秩序化したポリマー凝集体の形成を促進する工程、
を含む方法であって、
前記溶解ポリマー分子の溶解性を減少させることが、前記液体と比較してポリマーを溶解する能力が劣る別の液体を加えることにより達成され、
前記方法が更に、
前記構造的に秩序化したポリマー凝集体を含む前記組成物の層を堆積する工程、及び
前記層を少なくとも部分的に乾燥し、構造的に秩序化した層にする工程、
を含み、
前記構造的に秩序化した層が電子デバイスの一部であり、前記構造的に秩序化した層が増大した電荷輸送能力を示す、前記方法。
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