JP5276024B2 - 有機薄膜形成用溶液及びその製造方法 - Google Patents
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Description
含フッ素シラン系カップリング剤などの有機金属化合物は、加水分解縮重合して膜を形成する。本発明ではこのような膜を有機金属薄膜という。
(1)特許文献1〜3には、耐剥離性、透明性が高く基板表面の光沢や基板の透明性を損なわない化学吸着膜の製造方法が開示されている。ここでは、クロロシラン系の界面活性剤と基板表面の活性水素との脱塩酸反応で被膜を形成するため、膜製造時に有害な塩酸ガスが発生するという問題があった。
また、脱アルコール触媒を使用することにより脱アルコール反応を促進させる方法が提案されているが、単に脱アルコール触媒を添加するだけでは、空気中の水分により界面活性剤が自ら架橋してしまい、基板表面の固液界面での反応が阻害されて、単分子の化学吸着膜を効率よく形成することが困難であった。
また、本発明者らは、低縮合度の有機金属化合物を一定量以上含有させたり、あるいは、縮合度の異なる有機金属化合物の質量比を調整することによっても、上記と同様、基板上に不純物が少ない緻密な単分子膜又は有機薄膜を迅速に形成することができることを見出し、発明を完成するに至った。
(1)
(A)式(I)
R1及びR2は、置換基を有していてもよい炭素数1〜30の炭化水素基又は置換基を有していてもよい炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。
X1、X2、X3及びX4は、夫々独立して、R1、R2、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X1、X2、X3及びX4のすべてが、R1又はR2ではない。
n1が2以上の場合、R1同士及びX2同士は、同一又は相異なっていてもよい。
X1とX4は、いっしょになって酸素原子となり、M1と酸素原子が交互に結合した環を形成していてもよい。
M1はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
n1は1以上の整数を表す。)
で表される少なくとも1種の有機金属化合物(ただし、少なくとも1種の有機金属化合物は水酸基を有する)、及び、
(B)式(II)
R3は、置換基を有していてもよい炭素数1〜30の炭化水素基又は置換基を有していてもよい炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。
M2は、Si、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
X5は、水酸基又は加水分解性基を表す。
mは、1〜3の整数を表す)
で表される少なくとも1種の有機金属化合物を含有し、
40≦[(A)/{(A)+(B)}]×100≦100(質量%)、及び
0≦[(B)/{(A)+(B)}]×100≦60(質量%)
であることを特徴とする有機薄膜形成用溶液、
(2)
n1が1〜4の整数であることを特徴とする上記(1)記載の有機薄膜形成用溶液、
(3)
式(I)で表される有機金属化合物中、n1=1の有機金属化合物に対するn1=2の有機金属化合物の質量比が0.5よりも大きいことを特徴とする上記(1)又は(2)のいずれかに記載の有機薄膜形成用溶液、
(4)
式(III)
R4、R5及びR6は、それぞれ独立して、置換基を有していてもよい炭素数1〜30の炭化水素基又は置換基を有していてもよい炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。
X6、X7、X8、X9及びX10は、それぞれ独立して、R4〜R6のいずれか、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X6、X7、X8、X9及びX10はすべて、R4〜R6のいずれかであることはなく、X6、X7、X8、X9及びX10のうち、少なくとも1つは水酸基を表し、かつ、少なくとも1つは加水分解性基を表す。
n2が2以上の場合、R5同士及びX8同士は、同一又は相異なっていてもよい。
M3はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
n2は0又は1以上の整数を表す)
で表される少なくとも1種の有機金属化合物、及び、式(IV)
R7は、置換基を有していてもよい炭素数1〜30の炭化水素基又は置換基を有していてもよい炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。X11は、R7、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X11のすべてがR7であることはなく、X11のうち、少なくとも1つは水酸基を表し、かつ、少なくとも1つは加水分解性基を表す。
R7同士及びX11同士は、同一又は相異なっていてもよい。
M4はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
n3は2以上の整数を表す)
で表される少なくとも1種の環状有機金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の有機金属化合物を含有することを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の有機薄膜形成用溶液、
(5)
式(III)においてn2が0〜3の整数であり、式(IV)においてn3が2〜5の整数であることを特徴とする上記(4)に記載の有機薄膜形成用溶液、及び
(6)
式(I)で表される有機金属化合物中、式(III)で表される有機金属化合物及び式(IV)で表される環状有機金属化合物の合計量が30〜95質量%であることを特徴とする上記(4)又は(5)に記載の有機薄膜形成用溶液に関する。
(7)
式(III)
R4、R5及びR6は、それぞれ独立して、置換基を有していてもよい炭素数1〜30の炭化水素基又は置換基を有していてもよい炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。
X6、X7、X8、X9及びX10は、それぞれ独立して、R4〜R6のいずれか、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X6、X7、X8、X9及びX10はすべて、R4〜R6のいずれかであることはなく、X6、X7、X8、X9及びX10のうち、少なくとも1つは水酸基を表し、かつ、少なくとも1つは加水分解性基を表す。
n2が2以上の場合、R5同士及びX8同士は、同一又は相異なっていてもよい。
M3はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
n2は0又は1以上の整数を表す)
で表される少なくとも1種の有機金属化合物、及び、式(IV)
R7は、置換基を有していてもよい炭素数1〜30の炭化水素基又は置換基を有していてもよい炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。X11は、R7、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X11のすべてがR7であることはなく、X11のうち、少なくとも1つは水酸基を表し、かつ、少なくとも1つは加水分解性基を表す。
R7同士及びX11同士は、それぞれ同一又は相異なっていてもよい。
M4はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
n3は2以上の整数を表す)
で表される少なくとも1種の環状有機金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の有機金属化合物を含有することを特徴とする有機薄膜形成用溶液、
(8)
式(III)においてn2が0〜3の整数であり、式(IV)においてn3が2〜5の整数であることを特徴とする上記(7)に記載の有機薄膜形成用溶液、
(9)
式(I)
R1及びR2は、置換基を有していてもよい炭素数1〜30の炭化水素基又は置換基を有していてもよい炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。
X1、X2、X3及びX4は、夫々独立して、R1、R2、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X1、X2、X3及びX4のすべてが、R1又はR2ではない。
n1が2以上の場合、R1同士及びX2同士は、同一又は相異なっていてもよい。
X1とX4は、いっしょになって酸素原子となり、M1と酸素原子が交互に結合した環を形成していてもよい。
M1はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
n1は1以上の整数を表す。)
で表される少なくとも1種の有機金属化合物(ただし、少なくとも1種の有機金属化合物は水酸基を有する)中、式(III)で表される有機金属化合物及び式(IV)で表される環状有機金属化合物の合計量が30〜95質量%であることを特徴とする上記(7)又は(8)に記載の有機薄膜形成用溶液、及び
(10)
式(III)で表される有機金属化合物及び式(IV)で表される環状有機金属化合物の混合物中、式(IV)で表される環状有機金属化合物が主成分であることを特徴とする上記(7)〜(9)のいずれかに記載の有機薄膜形成用溶液に関する。
(11)
式(I)
R1及びR2は、置換基を有していてもよい炭素数1〜30の炭化水素基又は置換基を有していてもよい炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。
X1、X2、X3及びX4は、夫々独立して、R1、R2、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X1、X2、X3及びX4のすべてが、R1又はR2ではない。
R1同士及びX2同士は、それぞれ同一又は相異なっていてもよい。
X1とX4は、一緒になって酸素原子となり、M1と酸素原子が交互に結合した環を形成していてもよい。
M1はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
n1は1以上の整数を表す。)
で表される少なくとも1種の有機金属化合物(ただし、少なくとも1種の有機金属化合物は水酸基を有する)を含有し、式(I)で表される有機金属化合物中、n1=1の有機金属化合物に対するn1=2の有機金属化合物の質量比が0.5よりも大きいことを特徴とする有機薄膜形成用溶液、及び
(12)
n1が1〜4の整数であることを特徴とする上記(11)に記載の有機薄膜形成用溶液に関する。
(13)
式(II)
R3は、置換基を有していてもよい炭素数1〜30の炭化水素基又は置換基を有していてもよい炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。
M2は、Si、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
X5は、水酸基又は加水分解性基を表す。
mは、1〜3の整数を表す)
で表される少なくとも1種の有機金属化合物を、脂肪族エーテル系溶媒又は脂肪族ケトン系溶媒中、水及び酸の存在下で加水分解及び縮合させる工程を有することを特徴とする有機薄膜形成用溶液の製造方法、
(14)
有機薄膜形成用溶液が上記(1)〜(12)のいずれかに記載の有機薄膜形成用溶液であることを特徴とする上記(13)に記載の製造方法、
(15)
脂肪族エーテル系溶媒が、テトラヒドロフラン又はテトラヒドロピランであることを特徴とする上記(13)又は(14)に記載の有機薄膜形成用溶液の製造方法、
(16)
酸のpKa値が0以下であることを特徴とする上記(13)〜(15)のいずれかに記載の有機薄膜形成用溶液の製造方法、
(17)
酸が固体酸であることを特徴とする上記(13)〜(16)のいずれかに記載の有機薄膜形成用溶液の製造方法、
(18)
水の量が、式(II)で表される有機金属化合物1モルに対して0.1〜20モルであることを特徴とする上記(13)〜(17)のいずれかに記載の有機薄膜形成用溶液の製造方法、
(19)
加水分解及び縮合後、炭化水素系溶媒、フッ素系溶媒及びシリコン系溶媒からなる群より選ばれる少なくとも1種の溶媒を混合する工程を有することを特徴とする上記(13)〜(18)のいずれかに記載の有機薄膜形成用溶液の製造方法、及び
(20)
式(II)で表される有機金属化合物の加水分解縮合体の濃度が、0.01〜20質量%となるように溶媒を混合することを特徴とする上記(19)に記載の有機薄膜形成用溶液の製造方法に関する。
(21)
上記(1)〜(12)のいずれかに記載の有機薄膜形成用溶液を基材に接触させて得られる有機薄膜、及び
(22)
有機薄膜が単分子膜であることを特徴とする上記(21)に記載の有機薄膜に関する。
本発明において使用される有機金属化合物は、以下のものがある。
(1−1)式(I)で表される有機金属化合物
X1、X2、X3及びX4は、夫々独立して、R1、R2、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X1、X2、X3及びX4のすべてが、R1又はR2ではない。X1、X2、X3及びX4は、好ましくは、水酸基又は加水分解性基である。
R1同士及びX2同士は、それぞれ同一又は相異なっていてもよい。
X1とX4は、いっしょになって酸素原子となり、M1と酸素原子が交互に結合した環を形成していてもよい。
M1はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の4価の金属原子を表す。
n1は1以上の整数、好ましくは1〜4の整数を表す。
本発明において、式(I)で表される有機金属化合物は、式(I)に包含される化合物の1種又は2種以上の混合物であり、少なくとも1種の有機金属化合物は水酸基を有する。即ち、式(I)で表される有機金属化合物には、各置換基の種類及びn1の数の異なる有機金属化合物が混在していてよく、また、水酸基を有しない有機金属化合物が含有されていてもよい。水酸基を有しない有機金属化合物は、好ましくは、5質量%以下である。
水酸基を有する有機金属化合物1分子中の水酸基の数は、1個以上、好ましくは2個以上である。
水酸基を有する有機金属化合物1分子中に水酸基を少なくとも1個有する必要がある理由は、基体との結合に必要だからである。しかしながら、水酸基は有機金属化合物同士が縮合することにも消費されるため、水酸基を有する有機金属化合物のすべてが水酸基を1個しか有していないと、水酸基が基体と結合することができなくなり、基体との密着性が悪くなる。そのため、水酸基が1個の有機金属化合物を含有する場合には、水酸基が2個以上のものとの混合物であることが好ましい。
式(I)で表される有機金属化合物は、式(II)で表される有機金属化合物の加水分解縮合体であるのみならず、他の公知の方法により製造されたものであってもよい。
R1及びR2における、「炭素数1〜30の炭化水素基」としては、
メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、t−ペンチル基、n−へキシル基、イソへキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−デシル基、n−オクタデシル基等のアルキル基;
シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基;
ビニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基、n−デセニル基、n−オクタデセニル基等のアルケニル基;
1−シクロブテニル基、2−シクロペンテニル基、3−シクロヘキセニル基等のシクロアルケニル基;
エチニル基、プロピニル基、ブチニル基、ペンチニル基、n−デシニル基、n−オクタデシニル基等のアルキニル基;
フェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基等のアリール基;
ベンジル基、フェネチル基、1−ナフチルメチル基、2−ナフチルメチル基等のアリールアルキル基等が挙げられる。
ここで、ハロゲン原子は、F、Cl、Br又はIを意味する。
水酸基;
アミノ基;
メチルアミノ基、エチルアミノ基、ジメチルアミノ基等のアルキル置換アミノ基;
メチルアミノカルボニル基、ジメチルアミノカルボニル基、エチルアミノカルボニル基等のアルキルアミノカルボニル基;
メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基;
フェノキシ基、ナフトキシ基等のアリールオキシ基;
メチルカルボニル基、エチルカルボニル基等のアルキルカルボニル基;
メチルカルボニルオキシ基、エチルカルボニルオキシ基等のアルキルカルボニルオキシ基;
ベンゾイル基、ナフトイル基等のアリールカルボニル基;
フェニルカルボニルオキシ基、ナフチルカルボニルオキシ基等のアリールカルボニルオキシ基;
メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基等のアルコキシカルボニル基;
フェノキシカルボニル基、ナフトキシカルボニル基等のアリールオキシカルボニル基;
メチルチオ基、エチルチオ基等のアルキルチオ基;
メチルスルフィニル基、エチルスルフィニル基等のアルキルスルフィニル基;メチルスルホニル基、エチルスルホニル基等のアルキルスルホニル基;
フェニルチオ基、ナフチルチオ基等のアリールチオ基;
フェニルスルフィニル基、ナフチルスルフィニル基等のアリールスルフィニル基;
フェニルスルホニル基、ナフチルスルホニル基等のアリールスルホニル基;
ピロールー2−イル基、イミダゾール−2−イル基、ピリミジン−2−イル基等のヘテロ環基;
トリメチルシリル基、トリエチルシリル基等のシリル基等が挙げられる。これらの置換基の数は0〜3であるのが好ましい。
CH3(CH2)9−、CH3(CH2)10−、CH3(CH2)11−、CH3(CH2)12−、CH3(CH2)13−、CH3(CH2)14−、CH3(CH2)15−、CH3(CH2)16−、CH3(CH2)17−、CH3(CH2)18−、CH3(CH2)19−、CH3(CH2)20−、CH3(CH2)21−、CH3(CH2)22−、CH3(CH2)23−、CH3(CH2)24−、CH3(CH2)25−等。
・ハロゲン化炭化水素基
CF3(CH2)2−、CF3(CF2)3(CH2)2−、CF3(CF2)5(CH2)2−、CF3(CF2)7(CH2)2−、CF3(CF2)7(CH2)2−等。
アシルオキシ基としては、アセトキシ基、プロピオニルオキシ基、n−プロピルカルボニルオキシ基、イソプロピルカルボニルオキシ基、n−ブチルカルボニルオキシ基等の炭素数1〜6のアルキルカルボニルオキシ基;フェニルカルボニルオキシ基、ナフチルカルボニルオキシ基等のアリールカルボニルオキシ基;ベンジルカルボニルオキシ基、フェネチルカルボニルオキシ基等のアリールアルキルカルボニルオキシ基等が挙げられる。
これらの置換基としては、カルボキシル基、アミド基、イミド基、エステル基、水酸基等が挙げられる。
X1、X2、X3及びX4としては、水酸基、炭素数1〜4のアルコキシ基、アシルオキシ基、ハロゲン原子、又はイソシアネート基が好ましく、炭素数1〜4のアルコキシ基又はアシルオキシ基がより好ましい。
また、GPCによる縮合度とNMRによる加水分解性基の残存率から加水分解度を求めることもできる。
また、式(I)で表される有機金属化合物は、溶媒に適度に溶解することのできる縮合度と加水分解度の範囲のものである必要がある。したがって、縮合度と加水分解度の上限は有機金属化合物、溶媒などの違いにより異なる。
ここで、「適度に溶解する」とは、縮合度と加水分解度が大きくなると加水分解縮合体が希釈溶媒に不溶となり、有機薄膜形成用溶液として使用が困難となるため、有機薄膜形成用溶液として使用可能な程度に溶解していることを意味する。
M2は、Si、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
X5は、水酸基又は加水分解性基を表す。
mは、1〜3の整数を表す。
X5における、「加水分解性基」は、上記R1、R2と同様のものを例示することができる。
mが2以上のとき、各R3は同一であっても相異なっていてもよく、(4−m)が2以上のとき、各X5は同一であっても相異なっていてもよい。
また、これらの化合物は1種単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
式(III)
X6、X7、X8、X9及びX10は、それぞれ独立して、R4〜R6のいずれか、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X6、X7、X8、X9及びX10はすべて、R4〜R6のいずれかであることはなく、X6、X7、X8、X9及びX10のうち、少なくとも1つは水酸基を表し、かつ、少なくとも1つは加水分解性基を表す。
X6、X7、X8、X9及びX10は、好ましくは、すべて、水酸基又は加水分解性基である。
n2が2以上の場合、R5同士及びX8同士は、同一又は相異なっていてもよい。
M2はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
n2は0又は1以上の整数を表し、好ましくは0〜3の整数を表す。
R4、R5及びR6における、「炭素数1〜30の炭化水素基」、「炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基」、及び「置換基」としては、上記R1、R2と同様のものを例示することができる。
X6、X7、X8、X9及びX10における、「加水分解性基」は、上記R1、R2と同様のものを例示することができる。
式(III)で表される有機化合物としては、例えば、M3がSiの場合、以下のものを例示することができる。
X11は、R7、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X11のすべてがR7であることはなく、X11のうち、少なくとも1つは水酸基を表し、かつ、少なくとも1つは加水分解性基を表す。X11は、好ましくは、すべて水酸基又は加水分解性基である。
R7同士及びX11同士は、同一又は相異なっていてもよい。
M4はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
n3は2以上の整数を表し、好ましくは2〜5の整数を表す。
R7における、「炭素数1〜30の炭化水素基」、「炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基」、及び「置換基」としては、上記R1、R2と同様のものを例示することができる。
X11における、「加水分解性基」は、上記R1、R2と同様のものを例示することができる。
式(IV)で表される有機化合物としては、例えば、M4がSiの場合、以下のものを例示することができる。
上記式(I)、式(III)又は式(IV)で表される有機金属化合物は、公知の方法により製造することもできるが、好ましくは、以下の方法により製造される。
即ち、式(II)で表される有機金属化合物を、溶媒中、水及び酸触媒の存在下に加水分解及び縮合する方法が挙げられる。
鉱酸及び有機酸の使用量は、形成する有機金属薄膜の物性に影響を与えない量であれば特に制限されないが、有機金属化合物1モルに対して0.01ミリモル〜1モル使用される。一方、固体酸の使用量は、形成する有機薄膜の物性に影響を与えない量であれば特に制限されないが、有機金属化合物に対して0.05〜20質量%使用される。
反応温度は、溶媒により異なり、0〜溶媒の沸点(THFの場合は65℃)、反応時間は、目的により異なり、1時間〜100日である。反応時間が短いと、未反応有機金属の残存量が多く、2量体の方が3量体以上のものより多くなる。反応時間が長くなると、未反応有機金属化合物が消失し、3量体以上の縮合体が主成分となる。
本発明の縮合体を作製する方法としては、上記以外に、アルカリ触媒などを用いて未加水分解縮合体を製造後、酸触媒等により加水分解して製造することもできる。
有機薄膜形成用溶液とは、基材に接触させることができるように調製された液のことであり、有機金属化合物が溶媒に含有されている液を意味する。
本発明における有機薄膜形成用溶液には、以下のi)〜iii)がある。
通常、式(I)で表される有機金属化合物は、式(II)で表される有機金属化合物から製造されるため、溶媒中に未反応の式(II)で表される有機金属化合物などが存在する場合がある。しかしながら、好適な有機薄膜を作製するためには式(II)で表される有機金属化合物はできるだけ減らすことが望ましい。
したがって、(A)式(I)で表される有機金属化合物と(B)式(II)で表される有機金属化合物の合計量に対して、40質量%≦式(I)で表される有機金属化合物≦100質量%(すなわち、40≦[(A)/{(A)+(B)}]×100≦100(質量%))、0≦式(II)で表される有機金属化合物≦60質量%(すなわち、0≦[(B)/{(A)+(B)}]×100≦60(質量%))、好ましくは、50質量%≦式(I)で表される有機金属化合物≦100質量%(すなわち、50≦[(A)/{(A)+(B)}]×100≦100(質量%))、0≦式(II)で表される有機金属化合物≦50質量%(すなわち、0≦[(B)/{(A)+(B)}]×100≦50(質量%))、さらに好ましくは、70質量%≦式(I)で表される有機金属化合物≦100質量%(すなわち、70≦[(A)/{(A)+(B)}]×100≦100(質量%))、0≦式(II)で表される有機金属化合物≦30質量%(すなわち、0≦[(B)/{(A)+(B)}]×100≦30(質量%))となるように調製する。
本発明の有機薄膜形成用溶液は、式(I)で表される化合物が必須成分であり、式(I)で表される化合物が有機薄膜を形成する成分そのもの(膜形成の活性成分)である。式(I)の化合物が存在することによって、不純物が少ない緻密な単分子膜又は有機薄膜を迅速に形成することができる。
また、当該有機薄膜形成用溶液は、式(III)で表される有機金属化合物、及び、式(IV)で表される有機金属化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有することが好ましい。その場合、全有機金属化合物中、式(III)で表される有機金属化合物及び式(IV)で表される環状有機金属化合物の合計量は、5〜98質量%、好ましくは30〜95質量%である。
式(III)又は式(IV)で表される有機金属化合物、すなわち、化合物1分子中に水酸基及び加水分解性基を共に有する有機金属化合物を含有する有機薄膜形成用溶液を使用することによっても、上記i)とは無関係に、好適な有機薄膜を作製することができる。
式(I)で表される有機金属化合物中、通常、式(III)で表される有機金属化合物及び式(IV)で表される環状有機金属化合物の合計量は、5〜98質量%であり、好ましくは、30〜95質量%である。
また、式(III)及び式(IV)で表される有機金属化合物の合計量中、式(IV)で表される環状有機金属化合物が主成分であることが好ましい。
式(I)で表される有機金属化合物を含有する場合、n1=1の有機金属化合物に対するn1=2の有機金属化合物の質量比が0.5よりも大きくすることによっても、上記i)とは無関係に、好適な有機薄膜を作製することができる。
本発明の有機薄膜形成用溶液は、上記有機金属化合物を溶媒中に含有させることにより調製することができるが、本発明の有機金属化合物を、上記(2)に記載された方法により製造した場合には、上記有機金属化合物を含有する溶液を、さらに有機溶媒と攪拌混合して有機薄膜形成用溶液を作製する。
最終的に有機薄膜形成用溶液中に含まれる有機金属化合物の全量は、0.01〜20質量%、好ましくは、0.1〜5質量%である。
有機薄膜形成用溶液作製のために使用される有機溶媒としては、炭化水素系溶媒、フッ化炭素系溶媒、及びシリコーン系溶媒が挙げられ、炭化水素系溶媒が好ましく、沸点が100〜250℃の炭化水素系溶媒が特に好ましい。
また、この場合においては、均一な有機薄膜形成用溶液を得るために、超音波処理を施すことも好ましい。
本発明の有機薄膜は、上記のようにして得られた有機薄膜形成用溶液を基板と接触させることにより、前記基板表面に作製することができる。
本発明の有機薄膜形成用溶液を基板上に接触させると、前記有機薄膜形成用溶液中の有機金属化合物が基板表面に吸着され、薄膜が形成される。有機金属化合物が基板表面に吸着される機構としては、表面に活性水素を有する基板の場合には、有機金属化合物中のOH基が基板表面の活性水素と反応して、基板と強固な化学結合を形成して薄膜が形成されるものと考えられる。この薄膜は、単分子膜となる。
本発明により形成される有機薄膜は、自己集合膜であるのが好ましい。ここで自己集合膜とは、外部からの強制力なしに秩序だった構造を形成してなる膜を意味する。
A ODSを原料とした薄膜形成用溶液の例
A−1 無機酸を触媒として使用する例
[実施例1](反応時間2日間)
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、THF 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.53g(29mmol)と0.1N塩酸 0.20g(塩化水素0.02mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温で2日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:6.9%、2量体:27.6%、3量体:43.1%、4量体以上:22.4%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調製
1000mlの四つ口フラスコに、室温でトルエン960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Aを得た。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、THF 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水0.53g(29mmol)と0.1N塩酸 0.20g(塩化水素0.02mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温で18日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:0%、2量体:9.5%、3量体:46.6%、4量体以上:43.9%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でトルエン:960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Bを得た。
1000mlの四つ口フラスコに、室温でソルベッソ150(エクソンモービル社製)960gを仕込み、実施例1の2)と同様にして調製したオリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Cを得た。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、THF 40.8gを加えて希釈した。その溶液に純水0.90g(49mmol)と0.1N塩酸 0.20g(塩化水素0.02mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温で2日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:0.5%、2量体:16.9%、3量体:50.0%、4量体以上:32.6%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でトルエン:960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Dを得た。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、THP 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水0.53g(29mmol)と0.1N塩酸 0.20g(塩化水素0.02mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温で3日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:2.2%、2量体:14.6%、3量体:42.4%、4量体以上:40.8%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でソルベッソ150(エクソンモービル社製)960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Eを得た。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、THF 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水0.63g(35mmol)と0.1N硫酸 0.10g(硫酸0.01mmol、水5mmol)を加え攪拌して、室温で3日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:0%、2量体:10.9%、3量体:46.9%、4量体以上:42.2%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でソルベッソ150(エクソンモービル社製)960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Fを得た。
[実施例7] (p−トルエンスルホン酸使用)
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、THF 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水0.63g(35mmol)と0.1Np−トルエンスルホン酸 0.10g(p−トルエンスルホン酸 0.01mmol、水5mmol)を加え攪拌して、室温で3日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:0%、2量体:11.5%、3量体:48.9%、4量体以上:39.7%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でソルベッソ150(エクソンモービル社製)960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Gを得た。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、THF 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水0.53g(30mmol)と0.1Nトリフロロ酢酸0.20g(トリフロロ酢酸0.02mmol、水10mmol)を加え攪拌して、室温で27日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:10.5%、2量体:6.1%、3量体:42.0%、4量体以上:41.5%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でソルベッソ150(エクソンモービル社製)960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Hを得た。
[実施例9] (反応時間4日間)
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、THF 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水0.72g(40mmol)とnafion(登録商標、デュポン社製パーフルオロスルホン酸/PTFEコポリマー(H+型)): 0.20gを加え攪拌して、室温で4日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:0%、2量体:18.2%、3量体:48.7%、4量体以上:33.1%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でトルエン:960gを仕込み、前記オリゴマー溶液から濾過によりnafionを除いた濾液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Iを得た。
[実施例10−1] (反応時間55日間、標準濃度)
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、THF 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水0.53g(29mmol)と0.05N塩酸0.20g(塩化水素0.01mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温で55日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:0%、2量体:9.3%、3量体:46.6%、4量体以上:44.1%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でソルベッソ150(エクソンモービル社製)480gを仕込み、前記オリゴマー溶液20gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液J−1を得た。
1000mlの四つ口フラスコに、室温でソルベッソ150(エクソンモービル社製)495gを仕込み、実施例10−1の工程1)で得たオリゴマー溶液5gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液J−2を得た。
1000mlの四つ口フラスコに、室温でソルベッソ150(エクソンモービル社製)495gを仕込み、実施例10−1の工程1)で得たオリゴマー溶液2gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液J−3を得た。
[実施例11−1] (標準、反応時間18日間)
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、THF 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水0.53g(29mmol)と0.1N塩酸0.20g(塩化水素0.02mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温で18日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:0%、2量体:9.5%、3量体:46.6%、4量体以上:43.9%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でソルベッソ150(エクソンモービル社製)960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液K−1を得た。
実施例11−1で得た有機薄膜形成溶液K−1を、常温環境において高密度ポリエチレン容器で1ヶ月保管し、均一な有機薄膜形成溶液K−2とした。
[実施例12] (反応溶媒としてメチルイソブチルケトンを使用)
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、メチルイソブチルケトン 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.53g(29mmol)と0.1N塩酸 0.20g(塩化水素0.02mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温で1日間反応させた。
この反応液は、均一な溶液ではなく、溶解しない結晶を含むスラリー状であり、GPC分析した結果、単量体:10%、2量体:33%、3量体:42%、4量体以上:16%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でトルエン:960gを仕込み、前記スラリー溶液40gを加え撹拌し、有機薄膜形成溶液Lを調製したが、不溶解物を含む不均一溶液であった。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、シクロペンチルメチルエーテル 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.53g(29mmol)と0.1N塩酸 0.20g(塩化水素0.02mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温で13日間反応させた。
この反応液は、均一な溶液ではなく、溶解しない結晶を含むスラリー状であり、GPC分析した結果、単量体:20%、2量体:36%、3量体:24%、4量体以上:20%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でトルエン:960gを仕込み、前記スラリー溶液40gを加え撹拌し、有機薄膜形成溶液Mを調製したが、不溶解物を含む不均一溶液であった。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、1,2−ジエトキシエタン 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.53g(29mmol)と0.1N塩酸 0.20g(塩化水素0.02mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温で2日間反応させてオリゴマー溶液を得た。
この反応液は、均一な溶液ではなく、溶解しない結晶を含むスラリー状であり、GPC分析した結果、単量体:30%、2量体:31%、3量体:23%、4量体以上:16%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でトルエン:960gを仕込み、前記スラリー溶液40gを加え撹拌し、有機薄膜形成溶液Nを調製したが、不溶解物を含む不均一溶液であった。
[実施例15] (触媒として無機酸使用、反応時間4日間)
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でHDS(Gelest社製:純度95%)7.3g(20mmol)を仕込み、THF 42.0gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.53g(29mmol)と0.1N塩酸0.20g(塩化水素0.02mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温で4日間反応させてオリゴマー溶液を得た。
C−1 無機酸を触媒として使用する例
[実施例16](FAS−9、反応時間2日間)
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でFAS−9(Gelest社製:純度95%)8.1g(21mmol)を仕込み、THF 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.54g(30mmol)と0.1N塩酸 0.21g(塩化水素0.02mmol、水12mmol)を加え攪拌して、室温で2日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:14.3%、2量体:51.6%、3量体:28.1%、4量体以上:5.9%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でHFE−7300(住友スリーエム社製):960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Oを得た。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でFAS−9(Gelest社製:純度95%)8.1g(21mmol)を仕込み、THF 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.54g(30mmol)と0.1N塩酸 0.21g(塩化水素0.02mmol、水12mmol)を加え攪拌して、室温で20日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:0%、2量体:31.8%、3量体:41.9%、4量体以上:26.3%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でパーフロロへキシルメチルエーテル(HFE−7300、住友スリーエム社製):960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Pを得た。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でFAS−9(Gelest社製:純度95%)8.1g(21mmol)を仕込み、THF 40.8gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.92g(51mmol)と0.1N塩酸 0.21g(塩化水素0.02mmol、水12mmol)を加え攪拌して、室温で8日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:0.2%、2量体:28.9%、3量体:41.1%、4量体以上:29.8%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でHFE−7300(住友スリーエム社製):960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Qを得た。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でFAS−13(Gelest社製:純度95%)7.3g(20mmol)を仕込み、THF 42.0gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.54g(30mmol)と0.1N塩酸 0.20g(塩化水素0.02mmol、水12mmol)を加え攪拌して、室温で4日間反応させてオリゴマー溶液を得た。
[実施例20] (反応時間4日間)
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でFAS−9(Gelest社製:純度95%)8.1g(21mmol)を仕込み、THF 40.8gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.76g(42mmol)とnafion: 0.20gを加え攪拌して、室温で4日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:0%、2量体:18.2%、3量体:48.7%、4量体以上:33.1%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でHFE−7300(住友スリーエム社製):960gを仕込み、前記オリゴマー溶液から濾過によりnafionを除いた濾液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Rを得た。
[実施例21] (FAS系オリゴマーを使用する例)
1)アルカリ触媒による未加水分解オリゴマー溶液の合成
50mlの四つ口フラスコに、室温でFAS−9(Gelest社製:純度95%)3.2g(8mmol)を仕込み、THF 16.3gを加えて希釈した。その溶液に0.2N−NaOH 0.02g(0.004mmol)を加え攪拌して、室温で7日間反応させて未加水分解オリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:54.5%、2量体:28.4%、3量体:11.7%、4量体以上:5.3%(相対面積比)であった。
2)酸触媒による未加水分解オリゴマーから加水分解オリゴマー溶液の合成
50mlの四つ口フラスコに、前記アルカリ縮合で合成した未加水分解オリゴマー溶液10gに0.1N塩酸 0.06g(0.006mmol)と純水 0.1g(5.6mmol)を加え攪拌して、室温で8日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:2.3%、2量体:46.5%、3量体:36.6%、4量体以上:14.6%(相対面積比)であった。
3)薄膜形成溶液の調整
300mlの四つ口フラスコに、室温でHFE−7300(住友スリーエム社製):240gを仕込み、前記オリゴマー溶液10gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Sを得た。
1)アルカリ触媒による未加水分解オリゴマー溶液の合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)10.0g(25mmol)を仕込み、THF 40.0gを加えて希釈した。その溶液に0.2N−NaOH 0.20g(0.04mmol)を加え攪拌して、室温で30日間反応させて未加水分解オリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:49.6%、2量体:26.8%、3量体:7.9%、4量体:2.5%、5量体以上:13.2%(相対面積比)であった。
2)酸触媒による未加水分解オリゴマーから加水分解オリゴマー溶液の合成
50mlの四つ口フラスコに、前記アルカリ縮合で合成した未加水分解オリゴマー溶液8.1gとTHF1.8gを混合し、その溶液に0.1N塩酸 0.1g(塩化水素0.1mmol、水6mmol)と純水0.1g(5.6mmol)を加え攪拌して、室温で8日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:0.9%、2量体:29.0%、3量体:35.6%、4量体以上:21.3%、5量体以上:13.1%(相対面積比)であった。
3)薄膜形成溶液の調整
2000mlの四つ口フラスコに、室温でトルエン:960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、均一な有機薄膜形成溶液Tを得た。
[比較例1](OH基のない2量体の例)
1)オリゴマー溶液合成(アルカリ縮合)
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)10.0g(25mmol)を仕込み、THF 40.0gを加えて希釈した。その溶液に0.2N−NaOH 0.20g(0.04mmol)を加え攪拌して、室温で30日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:49.6%、2量体:26.8%、3量体:7.9%、4量体:2.5%、5量体以上:13.2%(相対面積比)であった。
この反応液から成分を分離して、全加水分解性基がメトキシ基(OH基のない)の2量体及び3量体を得た。
2)薄膜形成溶液の調整
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)から合成したODS−2量体(パーメトキシ体)1.0g(1.3mmol)を仕込み、トルエン 199gを加えて溶解し、有機薄膜形成溶液aを得た。
100mlの四つ口フラスコに、比較例1において得たODS−3量体(パーメトキシ体)0.5g(0.5mmol)を仕込み、トルエン 99gを加えて溶解し、有機薄膜形成溶液bを得た。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)10.0g(25mmol)を仕込み、THF 40.0gを加えて希釈した。その溶液に0.2N−NaOH 0.20g(0.04mmol)を加え攪拌して、室温で30日間反応させてオリゴマー溶液を得た。このオリゴマー溶液をGPC分析した結果、単量体:49.6%、2量体:26.8%、3量体:7.9%、4量体:2.5%、5量体以上:13.2%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
2000mlの四つ口フラスコに、室温でトルエン:960gを仕込み、前記オリゴマー溶液40gを加え撹拌し、有機薄膜形成溶液cを得た。
1)有機薄膜形成用補助剤の調製
200mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)16.5g(43.0mmol)を仕込み、テトラブトキシチタン(日本曹達製)5.65g(16.4mmol)を加え、ソルベッソ150(エクソンモービル社製)76.1gを加えて希釈した。この溶液に25℃で蒸留水1.7gを加え、室温で24時間反応させて有機薄膜形成用補助剤を得た。
2)希釈前の有機薄膜形成溶液の調製
1000mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)81.0g(200mmol)を仕込み、前記有機薄膜形成用補助剤0.31gを加え、ソルベッソ150(エクソンモービル社製)415gを加えて希釈した。この溶液に蒸留水3.7gを加え、室温で10日間反応させて希釈前の有機薄膜形成溶液を得た。
3)薄膜形成溶液の調製
1000mlの四つ口フラスコに、室温でソルベッソ150(エクソンモービル社製)480gを仕込み、前記希釈前の有機薄膜形成溶液20gを加え攪拌し、有機薄膜形成溶液d−1を得た。
1000mlの四つ口フラスコに、室温でソルベッソ150(エクソンモービル社製)495gを仕込み、比較例4−1の工程2)で得た希釈前の有機薄膜形成溶液5gを加え攪拌し、有機薄膜形成溶液d−2を得た。
1000mlの四つ口フラスコに、室温でソルベッソ150(エクソンモービル社製)498gを仕込み、比較例4−1の工程2)で得た希釈前の有機薄膜形成溶液2gを加え攪拌し、有機薄膜形成溶液d−3を得た。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、メタノール 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.53g(29mmol)と0.1N塩酸 0.20g(塩化水素0.02mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温で1日間反応させた。
この反応液は、均一な溶液ではなく、溶解しない結晶を含むスラリー状であり、GPC分析した結果、単量体:85%、2量体:15%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でトルエン:960gを仕込み、前記スラリー溶液40gを加え撹拌し、有機薄膜形成溶液eを調製したが、不溶解物を含む不均一溶液であった。
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、アニソール 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.53g(29mmol)と0.1N塩酸 0.20g(塩化水素0.02mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温にて13日間反応させた。
この反応液は、均一な溶液ではなく、溶解しない結晶を含むスラリー状であり、GPC分析した結果、単量体:75%、2量体:8%、3量体:3%、4量体以上:14%(相対面積比)であった。
2)薄膜形成溶液の調整
1000mlの四つ口フラスコに、室温でトルエン:960gを仕込み、前記スラリー溶液40gを加え撹拌し、有機薄膜形成溶液fを調製したが、不溶解物を含む不均一溶液であった。
前洗浄として純水及びアルコールで超音波洗浄を行い、更にUVオゾン処理をした基板を前記有機薄膜形成溶液に所定の時間浸漬し、その後引き上げて有機溶媒で超音波洗浄を行い、60℃で10分間乾燥し、有機薄膜の形成を行った。
以下に示す方法にて有機金属薄膜を評価した。
各試料の表面にマイクロシリンジから水、又は、テトラデカン(以下、「TD」と略す。)を5μl滴下した後、60秒後に、接触角測定器(360S型:エルマ社製)を用いて接触角を測定した。
その結果を表1(実施例)及び表2(比較例)に示す。
OA−10: 無アルカリガラス
Si: シリコンウエハ
SUS304: ステンレススティール
Ni: ニッケル板
MIBK: メチルイソブチルケトン
CPME: シクロペンチルメチルエーテル
1,2−DEE:1,2−ジエトキシエタン
p−TSA: p−トルエンスルホン酸
FAS−OL: FAS−9のオリゴマー加水分解物
ODS−OL: ODSのオリゴマー加水分解物
IV−1 THF使用の場合
1)オリゴマー溶液合成
100mlの四つ口フラスコに、室温でODS(Gelest社製:純度95%)8.1g(20mmol)を仕込み、THF 41.2gを加えて希釈した。その溶液に純水 0.53g(29mmol)と0.1N塩酸 0.20g(塩化水素0.02mmol、水11mmol)を加え攪拌して、室温で4日間反応させてオリゴマー溶液を得た。
2)GPC分析条件と分析結果
<分析条件>
カラム:昭和電工(株)製 Shodex KF-802 φ8mm×300mm、排除限界分子量5000、
オーブン:35℃、検出器:RI、溶離液:THF、流速1.0mL/min
<分析結果>
上記オリゴマー反応液をTHFで25倍希釈し、5.0μLを分析に用いた。
結果、単量体:3.9%、2量体:22.3%、3量体:43.2%、4量体以上:30.6%(相対面積比)であった。結果を図1に示す。
<分析条件>
カラム:関東化学(株)製 Mightysil RP-18 150-4.6(5μm)、
オーブン:30℃、検出器:RI、溶離液:CH3CN:THF=55:45、流速1.1mL/min
<分析結果>
上記オリゴマー反応液をTHFで25倍希釈し、10.0μLを分析に用いた。結果を図2に示す。(同じ重合度のものでも、加水分解度が高い成分ほど溶出時間が早い)
また、本発明の有機薄膜形成用溶液は、室温で1ヶ月以上保存しても安定である。
さらに、本発明の有機薄膜形成用溶液は、チタンアルコキシドを触媒として加水分解縮合を行う従来法(比較例4)に比して、薄い濃度でも良好な有機薄膜を形成することができる。
Claims (10)
- (A)式(I)
(式中、
R1及びR2は、炭素数1〜30の炭化水素基又は炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。
X1、X2、X3及びX4は、夫々独立して、R1、R2、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X1、X2、X3及びX4のすべてが、R1又はR2ではない。
n1が2以上の場合、R1同士及びX2同士は、同一又は相異なっていてもよい。
X1とX4は、いっしょになって酸素原子となり、M1と酸素原子が交互に結合した環を形成していてもよい。
M1はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
n1は1〜4の整数を表す。)
で表される少なくとも1種の有機金属化合物(ただし、少なくとも1種の有機金属化合物は水酸基を有する)、及び、
(B)式(II)
(式中、
R3は、炭素数1〜30の炭化水素基又は炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。M2は、Si、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
X5は、水酸基又は加水分解性基を表す。
mは、1〜3の整数を表す)
で表される少なくとも1種の有機金属化合物を含有し、
40≦[(A)/{(A)+(B)}]×100≦100(質量%)、及び
0≦[(B)/{(A)+(B)}]×100≦60(質量%)であり、かつ
式(I)で表される有機金属化合物中、n1=1の有機金属化合物に対するn1=2の有機金属化合物の質量比が0.5よりも大きいことを特徴とする、単分子膜である有機薄膜の形成用溶液。 - 式(III)
(式中、
R4、R5及びR6は、それぞれ独立して、炭素数1〜30の炭化水素基又は炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。
X6、X7、X8、X9及びX10は、それぞれ独立して、R4〜R6のいずれか、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X6、X7、X8、X9及びX10はすべて、R4〜R6のいずれかであることはなく、X6、X7、X8、X9及びX10のうち、少なくとも1つは水酸基を表し、かつ、少なくとも1つは加水分解性基を表す。
n2が2以上の場合、R5同士及びX8同士は、同一又は相異なっていてもよい。
M3はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
n2は0又は1〜3の整数を表す)
で表される少なくとも1種の有機金属化合物、及び、式(IV)
(式中、
R7は、炭素数1〜30の炭化水素基又は炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。
X11は、R7、水酸基又は加水分解性基を表す。但し、X11のすべてがR7であることはなく、X11のうち、少なくとも1つは水酸基を表し、かつ、少なくとも1つは加水分解性基を表す。
R7同士及びX11同士は、同一又は相異なっていてもよい。
M4はSi、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
n3は2〜5の整数を表す)
で表される少なくとも1種の環状有機金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の有機金属化合物を含有することを特徴とする請求項1に記載の単分子膜である有機薄膜形成用溶液。 - 式(I)で表される有機金属化合物中、式(III)で表される有機金属化合物及び式(IV)で表される環状有機金属化合物の合計量が30〜95質量%であることを特徴とする請求項2に記載の単分子膜である有機薄膜形成用溶液。
- 式(II)
(式中、
R3は、置換基を有していてもよい炭素数1〜30の炭化水素基又は置換基を有していてもよい炭素数1〜30のハロゲン化炭化水素基を表す。
M2は、Si、Ge、Sn、Ti及びZrからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属原子を表す。
X5は、水酸基又は加水分解性基を表す。
mは、1〜3の整数を表す)
で表される少なくとも1種の有機金属化合物を、脂肪族エーテル系溶媒又は脂肪族ケトン系溶媒中、水及び酸の存在下で加水分解及び縮合させる工程を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の単分子膜である有機薄膜形成用溶液の製造方法。 - 脂肪族エーテル系溶媒が、テトラヒドロフラン又はテトラヒドロピランであることを特徴とする請求項4に記載の単分子膜である有機薄膜形成用溶液の製造方法。
- 酸のpKa値が0以下であることを特徴とする請求項4又は5に記載の単分子膜である有機薄膜形成用溶液の製造方法。
- 酸が固体酸であることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の単分子膜である有機薄膜形成用溶液の製造方法。
- 水の量が、式(II)で表される有機金属化合物1モルに対して0.1〜20モルであることを特徴とする請求項4〜7のいずれかに記載の単分子膜である有機薄膜形成用溶液の製造方法。
- 加水分解及び縮合後、炭化水素系溶媒、フッ素系溶媒及びシリコン系溶媒からなる群より選ばれる少なくとも1種の溶媒を混合する工程を有することを特徴とする請求項4〜8のいずれかに記載の単分子膜である有機薄膜形成用溶液の製造方法。
- 式(II)で表される有機金属化合物の加水分解縮合体の濃度が、0.01〜20質量%となるように溶媒を混合することを特徴とする請求項9に記載の単分子膜である有機薄膜形成用溶液の製造方法。
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