JP5715743B2 - フラーレン重合体膜およびフラーレン重合体の製造方法 - Google Patents
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Description
また、フラーレンは電気伝導率が非常に低いため、絶縁膜としての利用や、カラーフィルターの高抵抗ブラックマトリックスとしての用途が期待される。
フラーレンが有機n型半導体分子として優れた特性を有することから、有機半導体薄膜としての利用も期待される。
一方で、フラーレンの膜形成特性および溶媒に対する溶解性を向上させるために、各種フラーレン誘導体の検討がなされ、種々の誘導体が提示されている(例えば特許文献1参照)。また、フラーレン誘導体を用いた製膜方法も検討されている。例えば、非特許文献3では、化学修飾したフラーレン誘導体を用いて、導電性基板上にLB膜または自己集合単分子膜(SAM)を形成させる手法が開示されている。また、特許文献2では、フラーレンと液晶性官能基とを結合した構造を有するフラーレン誘導体を基板上に積層した構造体が開示されている。
また、本発明の第二の態様は、フラーレンの熱分解温度よりも低い温度で熱分解するフラーレン誘導体の溶液を基材上に塗布して塗布膜を得る第1の工程と、前記第1の工程により得られた塗布膜を、前記フラーレン誘導体の熱分解温度よりも高く、前記フラーレンの熱分解温度よりも低い温度で加熱し前記フラーレン誘導体の少なくとも一部を熱分解させる第2の工程とを有し、前記熱分解に伴って前記フラーレン誘導体を重合させるフラーレン重合体膜の製造方法であって、前記フラーレン誘導体が、フラーレン骨格上に前記一般式(1)で表される部分構造を有するフラーレン誘導体、およびフラーレン骨格上に前記一般式(2)で表される部分構造を有するフラーレン誘導体の混合物を用いる。
また、前記フラーレン誘導体の熱分解温度が100℃以上500℃未満であり、前記第2の工程における加熱温度が500℃以下であることが好ましい。
また、前記フラーレン誘導体の熱分解温度が100℃以上500℃未満であることが好ましく、前記熱分解の際の加熱温度が500℃以下であることが好ましい。
例えば、有機半導体薄膜、光電性膜等の機能性薄膜、電池用薄膜、摺動表面の潤滑膜として利用することができる。
フラーレンは、炭素原子が中空状の閉殻構造をなす炭素クラスタであり、当該閉殻構造を形成する炭素数は、通常60〜130の偶数である。フラーレンの具体例としては、C60、C70、C76、C78、C82、C84、C90、C94、C96のほか、これらよりも多くの炭素を有する高次の炭素クラスタを挙げることができる。フラーレン膜の製造には、これらの各フラーレンおよび上記フラーレンが2種類以上混合されたフラーレン混合物を適宜使用可能であり、その炭素数は特に限定されるものではないが、容易に製造が可能である等の観点から、フラーレン混合物、またはC60を用いることが好ましい。
「フラーレン誘導体」とは、フラーレンの炭素原子に有機または無機の原子団を結合させた化合物または組成物の総称をいう。例えばフラーレン骨格上に所定の置換基が付加した構造を有するもののほか、内部に金属や分子を包含しているフラーレン金属錯体を含めたもの等を広く意味するものとする。
このうち、フラーレン製造時における主生成物であり入手容易な点から、C60またはC70の誘導体が好ましく、これらの混合物の誘導体あるいはC60の誘導体がより好ましい。すなわち、フラーレン骨格がC60またはC70であるものが好ましく、フラーレン骨格がC60とC70の混合物、あるいはC60であるものがより好ましい。
なお、C60のフラーレンを[60]フラーレンと表すように、以下、炭素数Xのフラーレンを「[X]フラーレン」と表す。
「フラーレンの熱分解」とは、加熱によりフラーレンの球状の閉殻構造が破壊され、フラーレンとしての構造を有しない状態になることをいい、「フラーレンの熱分解温度」とは、加熱によりフラーレンの球状の閉殻構造が破壊され、フラーレンとしての構造を有しない状態になる温度のことをいう。
酸素雰囲気下においては、フラーレンの熱分解は、酸化燃焼によるフラーレンの球状の閉殻構造の破壊として進行し、熱分解温度はその酸化燃焼が起こる温度をさす。酸素雰囲気下におけるフラーレンの熱分解温度は、通常500℃以上である。
また、不活性雰囲気下においては、フラーレンの熱分解は、昇華によるフラーレンの球状の閉殻構造の消失として進行し、熱分解温度はその昇華が起こる温度をさす。不活性雰囲気下におけるフラーレンの熱分解温度は、通常700℃以上である。
「フラーレン誘導体の熱分解」とは、加熱処理によりフラーレン骨格に結合させた有機または無機の原子団、好ましくはフラーレン表面に結合した置換基が脱離あるいは分解し、フラーレン膜およびフラーレン重合体を生成する任意の反応をいう。
フラーレン誘導体の熱分解時の雰囲気は特に制限はなく、大気中のような含酸素雰囲気下でも窒素雰囲気下、減圧下、真空下等の非活性雰囲気下でもかまわないが、好ましくは酸化燃焼と熱分解の区別が明確であり、酸化燃焼が起こりにくい、酸素を含まない非活性雰囲気が好ましく、より具体的には窒素雰囲気下、不活性ガス雰囲気下(あるいは、それらの混合雰囲気下)、減圧下、あるいは真空下のいずれかが好ましい。
特に、上記式(1)、(2)、および後述する式(5)で表される部分構造を有するフラーレン誘導体は、フラーレンの熱分解温度に比べ、熱分解温度が低いため、熱分解が速やかに起こる。その際酸素の有無等の雰囲気を問わない。好ましくは不活性ガス雰囲気が好ましく、より具体的には、窒素雰囲気下、不活性ガス雰囲気下(あるいは、それらの混合雰囲気下)、減圧下、あるいは真空下のいずれかが好ましい。特に好ましくは、コスト面で窒素雰囲気下もしくは不活性ガス中である。酸化燃焼が防がれ、得られたフラーレン膜(あるいは、フラーレン重合体)がさらに酸化燃焼することが避けられる上で好適である。
「フラーレン誘導体の熱分解温度」とは、加熱処理によりフラーレン骨格に結合させた有機または無機の原子団、好ましくはフラーレン表面に結合した置換基が脱離あるいは分解を開始する温度であり、その温度については、TG−DTAによる熱分析において減量を開始する温度を用いることができる。
フラーレン誘導体の熱分解温度は、フラーレンの熱分解温度よりも低い温度で100℃以上、好ましくは120℃以上、より好ましくは150℃以上、さらに好ましくは200℃以上が好ましく、500℃未満、450℃以下、より好ましくは400℃以下、さらに好ましくは350℃以下であるのが好ましい。フラーレン誘導体の熱分解温度が低すぎると安定性が低く、操作性が悪くなるためであり、熱分解温度が高すぎるとフラーレン骨格の燃焼が起こり、安定な膜形成ができなくなるためである。
フラーレン誘導体は熱分解により、通常重量減少を起こす。熱分解後の重量減少は、TG−DTAによる熱分析により観察することができる。熱分解後の重量減少量は通常熱分解前の重量に対して5重量%以上であり、好ましくは10重量%以上、より好ましくは20重量%以上であるのが好ましく、また通常80重量%以下であり、好ましくは75重量%であり、より好ましくは50重量%以下である。
重量減量が小さすぎると膜中のフラーレン濃度が十分に上がらずに、フラーレン膜としての特性が十分に得られない可能性があり、大きすぎると加熱時の体積収縮から、膜質が悪化する可能性があるためである。
フラーレン誘導体が熱分解によりフラーレン膜あるいはフラーレン重合体を生成した際は、通常安定かつ不可逆なフラーレン膜あるいはフラーレン重合体となる。
「フラーレン重合体」とは、フラーレンの球状の閉殻構造を有したままフラーレンの分子同士が重合したものをいい、より具体的には、XRD解析にてフラーレン特有の吸収スペクトルを有し、熱分析により、フラーレンの閉殻構造の熱吸収ピークが観測され、かつフラーレン、あるいはフラーレン誘導体が熱処理前に可溶であった溶媒に対して不溶化しているフラーレンの閉殻構造を有する分子の集合体をいう。
フラーレン重合体としては、例えば複数のフラーレンの閉殻構造を形成する炭素同士が結合し、フラーレン類の二量体、多量体あるいは分子集合体を形成した構造が考えられる。閉殻構造が維持されていればフラーレン重合体の構造内に炭素以外の原子、例えば熱分解前のフラーレン誘導体が有していた置換基由来の窒素、酸素、硫黄等の原子が含まれていてもよい。
「フラーレン重合体膜」とは、上記フラーレン重合体により形成された膜状物をいう。
また「フラーレン重合体の構造」とは、フラーレンの閉殻構造を構成する原子の他、フラーレン骨格上の原子に付加した置換基、フラーレン骨格内部に包含される原子や分子、原料フラーレン誘導体あるいはその分解物由来でフラーレン骨格の外側に配位している原子、分子を含む概念である。
「フラーレン膜」とは、フラーレンの球状の閉殻構造を有した膜状物を指し、具体的にはフラーレン分子の閉殻構造を維持した状態で形成された膜状物をいい、上記フラーレン重合体の膜を含む概念である。
ここでいう「フラーレン膜」とは、例えばフラーレンと熱硬化性樹脂との組成物により物理的に膜状に形成したものとは異なり、フラーレン自体が反応、重合等により膜状物を形成したものをいう。
また「フラーレン重合体からなるフラーレン膜」とはフラーレン重合体のみならず、その他の成分を含んでいてもよく、例えば重合していないフラーレンや、熱分解していないフラーレン誘導体、フラーレンの閉殻構造が破壊された炭素原子、分子等を含んでいてもよい。
フラーレン誘導体の合成には、入手可能な任意の炭素数のフラーレンを原料として用いることができるが、[60]フラーレン、[70]フラーレン、[84]フラーレンが入手の容易さの点で好ましく、工業的に必要な量を確保しやすい点において、[60]フラーレンおよび[70]フラーレンがさらに好ましい。特に[60]フラーレンの場合には、構造が対称であるという特徴を有している点で最も好ましい。
なお、原料となるフラーレンとしては、単離されたフラーレンを単独で用いてもよいが、2種類以上のフラーレン混合物を用いてもよい。フラーレン混合物は、フラーレンの製造工程において、他の副生成物から分離された未精製のものであってもよく、2種類以上のフラーレンを任意の割合で混合したものであってもよい。
具体的には、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、t−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ベンジル基、フェネチル基および置換基を有するこれらの炭化水素基等が挙げられる。
なお、この場合も、上述の置換基を含窒素環上に有していてもよい。
さらにエステル基が、以下の(1)〜(3)の構造のいずれかである。
−OC(=O)R4 ・・・(1)
−OC(=O)OR4 ・・・(2)
−C(=O)OR4 ・・・(3)
ここで、R4は炭素数4〜10のかさ高い有機基であり、4級炭素を1個以上有する基である。さらに置換基を有していてもよい。
R4の具体例としては、t−ブチル基、ネオペンチル基、2−(t-ブチル)エチル基、3−(t-ブチル)プロピル基、4,4−ジメチルシクロヘキシル基、1−メチル−1−シクロヘキシル基、2,2,3−(トリメチル)−1−n−プロピル基などが挙げられる。中でも鎖状の基であることが好ましく、具体的には、t−ブチル基、ネオペンチル基、2−(t-ブチル)エチル基、3−(t-ブチル)プロピル基、2,2,3−(トリメチル)−1−n−プロピル基が好ましく、さらに、エステル基の極性がより高い、炭素数が4−6のt−ブチル基、ネオペンチル基、2−(t-ブチル)エチル基がより好ましい。最も好ましいのはt-ブチル基およびネオペンチル基である。
エステル基が結合する環状アミンの位置は、炭素原子上であれば特に限定はないが、窒素原子に結合している炭素原子上にエステル基が結合するとフラーレンとの反応性が低下するため好ましくない。
また、他の最も好ましく用いられるアミノ化フラーレンと比べるとアミノ化フラーレン中の窒素原子の含有量が少ないため、本発明の方法によりフラーレン膜あるいはフラーレン重合体膜を形成する際に、窒素含量が少ないフラーレン膜あるいはフラーレン重合体膜を目的とする場合に好適に用いられるアミノ化フラーレンである。
さらに、最も好ましく用いられる別のアミノ化フラーレン誘導体は、上記の式(6−3)で表される[60]フラーレンと、下記式(9)で表されるエステル基で置換された3〜7員飽和含窒素複素環基A3が、A3中の窒素原子で結合した化合物である。
rは、アルキレン鎖中のメチレンの数を表わし、通常1〜4の整数、好ましくは1〜3の整数、より好ましくは1〜2の整数であり、特に好ましくは2である。
本発明の環状2級アミノ基中の環状アミン骨格の具体的としては、N−イミダゾリジノ基、N−ピペラジノ基、N−ホモピペラジノ基があげられる。対応する環状2級アミンの入手の容易さから、N−ピペラジノ基、N−ホモピペラジノ基が好ましく、N−ピペラジノ基がもっとも好ましい。
R5の具体例としては、t−ブチル基、ネオペンチル基、2−(t-ブチル)エチル基、3−(t-ブチル)プロピル基、4,4−ジメチルシクロヘキシル基、1−メチル−1−シクロヘキシル基、2,2,3−(トリメチル)−1−n−プロピル基などが挙げられる。中でもt−ブチル基が最も好ましい。
mは、エステル基Eと環状2級アミノ基を結合させるアルキレン鎖の炭素数を表わす。通常1−3、好ましくは1−2、さらに好ましくは1である。mが1の時のアルキレン鎖はメチレン基を表す。
もっとも好ましいのはメチレン基である。
式(9)で表わされるアミノ基を有するアミノ化フラーレンは、本発明の方法によりフラーレン膜あるいはフラーレン重合体膜を形成する際に用いると、不活性雰囲気下における700℃以上の高温領域での減量が少ない膜を形成できるため、高温領域でも安定な膜を形成するために好適に用いられるアミノ化フラーレンである。なお、700℃以上の高温領域での減量が少ない膜を形成できる理由は明確ではないが、環状アミン上にフラーレンと結合していない3級アミノ基が熱分解の際に作用して、フラーレン骨格同士の架橋を促進しているためであると考えられる。
また、式(9)で表わされるアミノ基を有するアミノ化フラーレンは、メタノール等のアルコール類に対して高い溶解性を示すため、塗布の際に用いることができる溶媒の選択肢が広いという観点から、他の好ましいアミノ化フラーレンに対して有利である。
溶解度が高く、フラーレン溶液を保管する場合に小容量での保管が可能となる点から特に好ましいのは、トルエン(2.9mg/ml)、キシレン(5.2mg/ml)、o−キシレン(8.7mg/ml)、m−キシレン(1.4mg/ml)、p−キシレン(5.9mg/ml)、エチルベンゼン(2.6mg/ml)、1,2,3−トリメチルベンゼン(4.7mg/ml)、1,3,5−トリメチルベンゼン(1.5mg/ml)、1,2,4−トリメチルベンゼン(17.9mg/ml)、1−メチルナフタレン(33.2mg/ml)、1−フェニルナフタレン(50mg/ml)などが挙げられる。なお、溶媒名の後のカッコ内の数値は、その溶媒中での[60]フラーレンの溶解度を表す(以下同じ)。
複素環分子系溶媒としては、テトラヒドロフラン、テトラヒドロチオフェン、2−メチルチオフェン、ピリジン、キノリン、およびチオフェン等を挙げることができる。これら複素環分子系溶媒の中でも工業的に好ましいのは、テトラヒドロフラン(0.037mg/ml)、キノリン(7.2mg/ml)である。
極性溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(0.89mg/ml)、ジメチルスルホキシド、N、N−ジメチルホルムアミド、二硫化炭素等を挙げることができる。
またこれらの溶媒は、二硫化炭素、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミドなどの極性溶媒、またはこれらの混合溶媒を用いることもできる。
上述の芳香族炭化水素類、芳香族ハロゲン化炭化水素類溶媒は、これを極性溶媒と混合して用いるのが反応速度の大幅な向上が期待されることからさらに好ましい。また、ヒドロペルオキシドの前駆体を用いる場合、極性溶媒を用いると、光照射せずに反応が可能になる。この極性溶媒の作用機構は不明であるが、ヒドロペルオキシド前駆体の活性化に影響を及ぼすものと推察される。
、好ましくは100以下、より好ましくは50以下の化合物である。比誘電率εrは、(例えば、Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry 2nd Ed. 1990、VCH p.59に記載)化合物に固有の値である。比誘電率は、電束密度とそれによって与えられる電場との比であり、物質内で電荷とそれによって与えられる力との関係を示す係数である。
以下に極性溶媒の比誘電率εrを示す。
N,N−ジメチルホルムアミド;36.71
N,N−ジメチルアセトアミド;37.78
N−メチルピロリドン;32.2
ジメチルスルホキシド;46.45
スルホラン;43.3
N,N’−ジメチルプロピレンウレア;36.12
ヘキサメチルホスホリックトリアミド;29.6
ましくは5〜50%の範囲で用いられる。極性溶媒の割合が少な過ぎると、極性溶媒の効果が十分発揮されず、多過ぎると、相対的に芳香族系溶媒の割合が少なくなるため、フラーレンや反応中間体の溶媒への溶解性が低下するためである。
フラーレン膜は、前記のようにして得られたフラーレン誘導体の溶液を調製し、基材に塗布する第1の工程と、第1の工程により得られた塗布膜を、フラーレン誘導体の熱分解温度よりも高く、フラーレンの熱分解温度よりも低い温度で加熱しフラーレン誘導体の少なくとも一部を熱分解させることによりフラーレン膜とする第2の工程とを有する方法により製造される。
フラーレン誘導体の溶液を調製し、基材に塗布した後、溶媒を除去すると、フラーレン誘導体の塗布膜が得られる。
フラーレン誘導体溶液の調製に用いられる溶媒としては、フラーレン誘導体が十分な溶解度を有し、常圧下または減圧下で室温または加熱することにより揮発させることのできる任意の溶媒を用いることができるが、さらに、入手の容易さ、価格、毒性、および安全性等を考慮して適宜選択することができる。
1価または多価のアルコール類としては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン、ジプロピレングリコールを挙げることができる。
ケトン類としては、例えば、アセトン、MEK(メチルエチルケトン)、2−ヘプタノン、メチルイソプロピルケトン、MIBK(メチルイソブチルケトン)、シクロヘキサノンを挙げることができる。
エーテル類としては、例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)等を挙げることができる。
エステル系溶媒としては、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸プロピル、乳酸エチル、GBL(γ−ブチロラクトン)、PGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)、PGME(プロピレングリコールモノメチルエーテル)等を挙げることができる。
芳香族ハロゲン化炭化水素類の具体例としては、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、m−ジクロロベンゼン、ブロモベンゼン、1,2,4−トリクロロベンゼンなどが挙げられる。
複素環分子系溶媒としては、テトラヒドロフラン、テトラヒドロチオフェン、2−メチルチオフェン、ピリジン、キノリン、およびチオフェン等を挙げることができる。
4−トリメチルペンタン、n−デカン、n−ドデカン、n−テトラデカン、デカリン、cis−デカリン、およびtrans−デカリン等を挙げることができる。
ハロアルカン分子系溶媒としては、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、1,2−ジブロモエタン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、ジクロロジフルオロエタン、1,1,2−トリクロロ−1,2,2−トリフルオロエタン、および1,1,2,2−テトラクロロエタンを挙げることができる。
基材の形状としては、板状およびフィルム状、球状、塊状、繊維状等が挙げられる。また、基材の材質としては、第2の工程における加熱処理の際に熱分解や変形を起こさない任意の材質のものを用いることができる。ガラス、半導体、金属、コンクリート等の無機系材料の他に、フラーレン誘導体の分解温度が例えば200℃以下の場合には、ポリイミド樹脂等の耐熱性を有する有機系材料を用いることもできる。
これにより、式(1)および(2)で表される部分構造を有するこれらのフラーレン誘導体のいずれか一方あるいはこれらの混合物を用いて加熱処理し、熱分解を行うことで、容易にフラーレン重合体を製造することができる。また、これを利用することにより、式(1)および(2)で表される部分構造を有するこれらのフラーレン誘導体のいずれか一方あるいはこれらの混合物を用いて容易にフラーレン膜を製造することができる。
膜厚が10nm以下(未満)だと、均質な膜が形成されない可能性があり、膜厚が1mm以上(超える)だと、加熱時の熱収縮等により膜のひび割れ等が発生する可能性がある。
フラーレン重合体は前記のようにしてフラーレン誘導体を熱分解させることにより得られる。フラーレン誘導体を膜状にして熱分解することによりフラーレン重合体を含むフラーレン膜として得ることができ、フラーレン重合体膜として得られる。フラーレン重合体はその形状を問わずフラーレン誘導体の熱分解によって得られる。フラーレン重合体は好ましくは部分構造式(1)、(2)および(5)のいずれかで表される部分構造を有するフラーレン誘導体の熱分解により得られ、より好ましくは部分構造式(1)、(2)および(5)のいずれかで表される部分構造を有する[60]フラーレンを含むフラーレン誘導体の熱分解によって得られ、さらに好ましくは部分構造式(1)、(2)のいずれかで表される部分構造を有する[60]フラーレン誘導体を含むフラーレン誘導体の熱分解によって得られることが好ましい。また得られたフラーレン重合体は好ましくは酸素および窒素の少なくとも1つの原子を含み、酸素原子および窒素原子の少なくとも1つの含有量は、好ましくは0.1重量%以上、より好ましくは0.5重量%以上、さらに好ましくは1.0重量%以上である。また酸素原子および窒素原子の少なくとも1つの含有量は、通常30重量%以下、好ましくは20重量%以下、より好ましくは10重量%以下である。
フラーレン重合体膜は、フラーレン重合体を膜状に形成することにより得られ、好ましくは前記部分構造式(1)(2)および(5)のいずれかで表される部分構造を有するフラーレン誘導体の熱分解により得られ、より好ましくは部分構造式(1)、(2)および(5)のいずれかで表される部分構造を有する[60]フラーレンを含むフラーレン誘導体の熱分解によって得られ、さらに好ましくは部分構造式(1)、(2)のいずれかで表される部分構造を有する[60]フラーレン誘導体を含むフラーレン誘導体の熱分解によって得られることが好ましい。上記部分構造式を有するフラーレン誘導体は、フラーレン誘導体の熱分解温度が低く、熱分解生成物は速やかに分解、気化等により除去され、速やかにフラーレン重合体に変換される。そのため容易にフラーレン重合体とすることが可能であり、また膜状に形成しておくことにより容易にフラーレン重合体膜とすることが可能である。
以下の実施例において用いた化合物1〜6を下式に示す。
[60]フラーレンの誘導体である化合物1を、文献(特開2006−199674号公報)記載の方法を用いて、[60]フラーレンおよびN−t−ブトキシカルボニルピペラジンをクロロベンゼン中で光照射(60W白熱灯)することにより合成した。その後、反応溶液を直接シリカゲルカラム上にロードし、トルエン−酢酸エチル(49:1,v/v)で展開することにより精製を行った。1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:1.49(overlapped s,18H,CH3),3.1−3.2(br m,8H,NCH2CH2),3.2−3.3(br m,8H,NCH2CH2),3.5−3.7(br m,16H,NCH2);13C NMR(100MHz,CDCl3)δ:28.54(2C,CH3),28.57(2C,CH3),50.41(4C,C60NCH2CH2),50.89(4C,C60NCH2CH2),52.90(C60NCH2),63.08(C60NCH2),71.71(1C,C−O),71.83(2C,C−N),75.56(2C,C−N),76.37(1C,C−O),137.70(1C,C60),140.05(2C,C60),141.65(2C,C60),142.89(2C,C60),143.12(2C,C60),143.43(2C,C60),143.52(2C,C60),143.85(2C,C60),143.94(2C,C60),144.04(2C,C60),144.38(2C,C60),144.86(2C,C60),145.18(1C,C60),146.00(2C,C60),146.24(2C,C60),146.75(2C,C60),146.87(4C,C60),146.92(2C,C60),147.04(2C,C60),147.36(2C,C60),147.64(2C,C60),148.95(2C,C60),149.07(2C,C60),149.33(4C,C60),151.12(2C,C60),154.42(2C,C60),154.56(2C,C60),154.62(2C,C60);IR(neat,wavenumber/cm−1)3006(w),2975(m),2929(w),2856(w),2821(w),1698(s),1476(w),1453(m),1421(s),1365(m),1300(w),1286(m),1252(s),1171(s),1132(s),1001(s),862(m),755(s),699(w),665(w),581(w),547(w),536(w),505(w);MS m/z(LC−APCI,トルエン:i−PrOH=7:3)1478(MH+).
化合物1のトルエン溶解度は15%であった。
アミノ化混合フラーレン誘導体(化合物2)は、原料として、C60、C70、およびその他の高次フラーレンを60:25:15(質量%)の割合で含むフラーレン混合物を用いた以外は、化合物1と同様の方法により合成した。
化合物2のトルエン溶解度は10%以上であった。
温度計を設置した3つ口フラスコに、[60]フラーレンと1,2−ジクロロベンゼンを取り、窒素雰囲気下において攪拌しながら、n−ドデカナールとN−(4−ヒドロキシフェニル)グリシンを加えて130℃に加熱し、7時間攪拌した。室温まで冷却した後、不溶分を濾別した濾液を濃縮し、トルエンを溶離液としてシリカゲルカラムクロムにより、残留した未反応の[60]フラーレンと1付加体のフラクションを分離した。1付加体のフラクションを濃縮した後、トルエンとメタノールを用いて晶析を行い、取り出した固体を室温で真空乾燥することにより、化合物3を得た。得られた生成物を1H NMRにて同定した。1H NMR(270MHz,CDCl3)δ:7.28(m,2H),6.98(m,2H),5.31(m,1H),5.13(d,1H),5.02(d,1H),4.59(s,1H),2.61−2.27(m,2H),1.70(m,2H),1.40−1.20(m,16H),0.87(t,3H).化合物3のトルエン溶解度は6%であった。
化合物4を、文献(Jan C.Hummelen,Brian W.Knight,F.LePeq,Fred Wudl;J.Org.Chem.,1995,60,532−538)記載の方法を参考に合成した。すなわち、窒素下で4−ベンゾイル酪酸メチルp−トシルヒドラゾンをピリジンに溶解させた後、ナトリウムメトキシドを添加して15分攪拌した。1,2−ジクロロベンゼンに溶解させた[60]フラーレンを添加し、液温を65−70℃に保持し22時間反応させた。その後、反応液を濃縮し、シリカゲルカラムにより精製を行った。未反応の[60]フラーレンおよび1付加体である{6}−1−(3−(メトキシカルボニル)プロピル)−{5}−1−フェニル[5,6]−C61のフラクションを1,2−ジクロロベンゼンにて回収した後に、1,2−ジクロロベンゼンと酢酸エチルによって化合物4を回収した。得られた溶液を濃縮した後、200℃にて10時間真空乾燥を行った。
化合物4のトルエン溶解度は5%であった。
[アミンの合成]
イソニペコチン酸(41.5g,320mmol)に1,4-ジオキサン(200mL)を加え、不均一溶液とした。ここに濃硫酸41.5mLを30分かけて添加した。この不均一溶液にイソブテン100gを5時間かけて吹き込んだ。吹き込み終了後、0℃に冷やし、2N−NaOH水溶液750mLを投入した。塩基性であることを確認したのちジエチルエーテル500mLで抽出し、硫酸ナトリウムで乾燥後濃縮し、目的物であるイソニペコチン酸t−ブチル5.98gを得た。
N2雰囲気下、[60]フラーレン(1.0g, 1.39mmol)をクロロベンゼン(200mL)に溶解し、0.5時間(h)攪拌後、ジメチルスルホキシド(50mL)を加え10分攪拌した。80%クメンヒドロペルオキシド(793mg,
4.17mmol)を1mLのクロロベンゼンとともに添加したのち、イソニペコチン酸t−ブチル(2,57g, 13.9mmol)を3mLのクロロベンゼンとともに添加した。室温で攪拌を行ったところ、7時間後に原料[60]フラーレンの消失を確認した。有機相をイオン交換水(100mL)で2回洗浄後、0.5N−HCl(100mL)で洗浄し、さらにイオン交換水(100mL)で2回洗浄した。硫酸ナトリウムを加えて乾燥したのち、ろ過し、約5mLまで濃縮した。攪拌しながらメタノール150mLを添加して得られた沈殿を濾別、メタノールで洗浄後、室温で2時間減圧乾燥することにより、目的のアミノ化フラーレン(化合物5)2.04gを得た(収率99%)。HPLC純度は80%であった。化合物5のトルエン溶解度は10%以上であった。
[アミンの合成]
エタノール80mlにピペラジン(8.0g,93mmol)を溶かし入れ、均一溶液とした。ここにブロモ酢酸t-ブチル(5.2g,27mmol)をゆっくりと滴下した。滴下終了後、23時間攪拌し、イオン交換水(150ml)を入れそのまま減圧濃縮を行った。溶媒分のエタノールを蒸発させた後、残った水溶液にイオン交換水(150ml)を加え酸性ではないことを確認、その後ジクロロメタン(300ml)で抽出した。抽出した溶液を硫酸マグネシウムで乾燥後濃縮し、目的物であるt-ブトキシカルボニルメチルピペラジンと、副生成物であるジ(t-ブトキシカルボニルメチル)ピペラジンの混合物4.66gを得た。
N2雰囲気下、[60]フラーレン(1.0g, 1.39mmol)をp-キシレン(20mL)に溶解し、10分攪拌後、ジメチルスルホキシド(5mL)を加え1時間攪拌した。t-ブトキシカルボニルメチルピペラジン(2.3g, 混合物であるため内在比から計算して11.1mmol)を5mLのp-キシレンとともに添加したのち、84%クメンヒドロペルオキシド(880mg, 4.86mmol)を5mLのp-キシレンとともに添加した。室温で攪拌を行ったところ、47時間後に原料[60]フラーレンの消失を確認した。p-キシレン(100mL)を加え、有機相をイオン交換水(100mL)とアセトニトリル(20ml)の混合液で1回洗浄後、0.5N−HCl(100mL)とアセトニトリル(20ml)の混合液で洗浄し、さらにイオン交換水(100mL)とアセトニトリル(20ml)の混合液で1回洗浄した。硫酸ナトリウムを加えて乾燥したのち、ろ過し、約5mLまで濃縮した。攪拌しながらアセトニトリル200mLを添加して得られた沈殿を濾別、アセトニトリルで洗浄後、室温で3時間減圧乾燥することにより、目的のアミノ化フラーレン(化合物6)2.02gを得た(収率95%)。HPLC純度は46%であった。また化合物6のトルエン溶解度は10%以上であった。
上記(1)〜(6)で合成した化合物1〜6の熱による分解挙動を検討するため、TG−DTA(熱重量−示差熱)測定を行った。測定は、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製示差熱熱重量同時測定装置TG/DTA6200を使用して、大気雰囲気下(流速200mL/分)、昇温速度10℃/分という条件下で行った。[60]フラーレンと化合物1についての測定結果を図1に示す。[60]フラーレンにおいては、500℃付近から発熱を伴う大きな重量減少が観測された。これは、酸化燃焼による重量減少である。化合物1においては、200℃付近において[60]フラーレンでは見られなかった発熱量のわずかな増大と大きな重量減少が観測された。これは、フラーレン誘導体の熱分解(に伴う大きな重量減少であると考えられる。
化合物1〜6の空気中におけるTG測定結果を図2(A)に示す。[60]フラーレンの誘導体である化合物1、および混合フラーレンの誘導体である化合物2、化合物5、化合物6のいずれも、200℃付近のほぼ同一の温度で、熱分解を起こすことがわかる。なお、化合物3、4についても同一条件下でTG測定を行ったが、フラーレン誘導体の熱分解に伴う重量減少と酸化燃焼とが明確に区別できず、フラーレン誘導体の熱分解に伴う重量減少は観測されなかった。
そこで、化合物1〜6について窒素雰囲気下でTG測定を行った。測定は、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製示差熱熱重量同時測定装置TG/DTA6200を使用して、窒素雰囲気下(流速200mL/分)、昇温速度10℃/分という条件下で行った。結果を図2(B)に示す。化合物1、2、5、6のいずれも、空気中とほぼ同一の温度で熱分解に伴う重量減少を起こしていることがわかる。また、このことから、200℃付近における化合物1、2、5、6の熱分解は空気酸化によるものではないことがわかる。
以上の結果より、アミノ化フラーレン誘導体である化合物1、2、5、6は、大気中および空気中で、化合物3、4は窒素中(不活性雰囲気下)でフラーレンの熱分解温度よりも低い温度で分解し、フラーレン膜を生成することがわかる。
なお各化合物の重量減少量はTG−DTAの測定値より表1に示す通りであった。
化合物1、2、5の5質量%PGMEA溶液、および化合物3、4の5質量%シクロヘキサノン溶液を調製し、スピンコーターを用いてガラス基材(50×50mm)上に塗布した。100℃にて乾燥後、塗布膜を光学顕微鏡で観測したところ、均一な塗布膜であることを確認した。また、これらの塗布膜をトルエンを用いて洗浄したところ、膜は除去された。このことより、溶媒乾燥後の塗布膜はトルエンに対し可溶であることを確認した。
また、化合物2について20質量%のPGMEA溶液を調製し、スピンコーターを用いてガラス基材(50×50mm)上に塗布し、触針式の表面粗さ測定器で膜厚を測定したところ、塗布膜の厚さは14μmであり、蒸着等による製膜法と比較して、非常に厚い膜を作成できることがわかった。
なお、[60]フラーレンの0.1質量%トルエン溶液を用いて、同様の条件でガラス基
材上に塗布膜の形成を試みたが、均一な塗布膜は得られなかった。
上記(8)でガラス基材上に作製した化合物1〜3の塗布膜を、300℃に加熱した電気炉中に入れ、大気雰囲気下で10分間加熱処理を行った。
線源:CuKα
出力:40kV/200mA
操作軸:2θ/θ
測定モード:Continuous
測定範囲:3〜50°
ステップ軸:0.05°
また、化合物3の塗布膜についても、化合物1および2の塗布膜と同様の結果が得られた。
以上の結果から、化合物1〜3の熱分解生成物においてフラーレンの球状の閉殻構造が維持されていることが確認された。
化合物1〜5について、加熱処理の前後における塗布膜の元素分析を行った。塗布膜はそれぞれ塗布したガラス基材から削り取って元素分析に用いた。元素分析結果は、表2に示すとおりである。なお、表中「wt%」は質量%を意味する。
CHN分析:PERKIN ELMER社製 PE2400II CHN分析計
O分析 :LECO社製 TC-436 酸素窒素分析計
を用いて分析を実施。
得られたフラーレン膜のXRD分析、およびTG−DTA分析から、フラーレンの閉殻構造を有していることが示唆される。これよりフラーレン膜は加熱処理による熱分解反応により、フラーレンの閉殻構造を維持したまま、溶媒に不溶化していることから、フラーレン誘導体を熱分解することによって得られたフラーレン膜はフラーレン重合体によって形成されているフラーレン重合体膜であると考えられる。
また元素分析結果から、化合物(1〜5)を熱分解後に得られたフラーレン膜中には酸素原子が含有されていることがわかり、フラーレン誘導体(化合物1〜3、5)を熱分解後に得られたフラーレン膜中に窒素原子が含有されていることがわかる。これによりこれらのフラーレン誘導体より得られたフラーレン重合体、およびフラーレン膜の構造中には窒素原子が含まれ、含窒素フラーレン重合体膜になっていると考えられる。
フラーレン膜としての性質は、通常のフラーレン由来のフラーレン膜と同等であることから、今回の構造内に窒素を含んだフラーレン重合体は、新規のフラーレン重合体であり極めて加工性に富んだフラーレン膜としての利用が期待できる。
例えば、前記実施の形態のフラーレン膜の製造方法において、フラーレン誘導体塗布膜からの溶媒の除去および熱分解のための加熱処理を同時に行ってもよい。
フラーレン重合体の有機太陽電池への応用も可能である。フラーレン誘導体を光電変換素子とする太陽電池は、シリコン系の無機太陽電池と比較して優位な点が多数あるもののエネルギー変換効率が低く、未だ実用レベルに十分には達していない。この点を克服するためのものとして、最近、電子供与体である導電性高分子と、電子受容体であるフラーレンおよびフラーレン誘導体とを混合した活性層を有するバルクヘテロ接合型有機太陽電池が提案されている。このバルクヘテロ接合型有機太陽電池では、導電性高分子とフラーレン誘導体それぞれとが分子レベルで混じり合い、その結果非常に大きな界面を作り出すことに成功し、変換効率の大幅な向上が実現されている。
しかし、通常フラーレンへ官能基導入数を増加させると、フラーレンの骨格の変形が大きくLUMOのエネルギー準位が上がり過ぎてしまい、電子親和力が小さくなり全く光電変換能が失われてしまうことが知られている。
本発明におけるフラーレン重合体を使用することにより、熱分解前の溶解性が非常に高い状態で導電性高分子と混合することができ、効率的なバルクへテロ接合構造を構成することが容易である。また、熱分解後のフラーレン重合体膜は、結合した置換基が脱離あるいは分解していることから、n型半導体としてのフラーレンの性質を本質的に保持している。これらのことにより、本発明のフラーレン重合体を用いることにより、極めて高性能な有機太陽電池の実現が可能となる。
また、黒鉛等に窒素が置換固溶することにより余分な電子が局在化しアクセプターとして働くことが示唆されている(解説・カーボンファミリー 稲垣 道夫著)。本発明の構造中に窒素を含んだフラーレン重合体膜においても同様の効果が期待でき、有機太陽電池におけるアクセプター能が上がることが期待でき、本発明のフラーレン重合体を用いることにより、極めて高性能な有機太陽電池の実現が可能となる。
光センサー、整流素子等への応用が期待できる電界効果トランジスタの有機材料として、フラーレンおよびフラーレン誘導体を使用することが研究されている。一般的にフラーレンおよびフラーレン誘導体を半導体に用いて電界効果トランジスタを作製した場合、当該電界効果トランジスタはn型のトランジスタとして機能することが知られている。本発明におけるフラーレン重合体を使用することにより、熱分解前のフラーレン誘導体の上記用途で使用される有機溶媒への溶解性が非常に高いため、塗布による成膜が容易である。また、熱分解後のフラーレン重合体膜は、結合した置換基が脱離あるいは分解していることから、n型半導体としてのフラーレンの性質を本質的に保持している。これにより、本発明のフラーレン重合体膜は、低コスト、高性能な有機半導体として期待できる。
Claims (8)
- フラーレンの熱分解温度よりも低い温度で熱分解するフラーレン誘導体の溶液を基材上に塗布して塗布膜を得る第1の工程と、前記第1の工程により得られた塗布膜を、前記フラーレン誘導体の熱分解温度よりも高く、前記フラーレンの熱分解温度よりも低い温度で加熱し前記フラーレン誘導体の少なくとも一部を熱分解させる第2の工程とを有し、前記熱分解に伴って前記フラーレン誘導体を重合させるフラーレン重合体膜の製造方法であって、前記フラーレン誘導体が、フラーレン骨格上に下記の一般式(1)および(2)で表される部分構造のいずれか一方を有するものを用いることを特徴とするフラーレン重合体膜の製造方法。
- フラーレンの熱分解温度よりも低い温度で熱分解するフラーレン誘導体の溶液を基材上に塗布して塗布膜を得る第1の工程と、前記第1の工程により得られた塗布膜を、前記フラーレン誘導体の熱分解温度よりも高く、前記フラーレンの熱分解温度よりも低い温度で加熱し前記フラーレン誘導体の少なくとも一部を熱分解させる第2の工程とを有し、前記熱分解に伴って前記フラーレン誘導体を重合させるフラーレン重合体膜の製造方法であって、前記フラーレン誘導体が、フラーレン骨格上に下記の一般式(1)で表される部分構造を有するフラーレン誘導体、およびフラーレン骨格上に下記の一般式(2)で表される部分構造を有するフラーレン誘導体の混合物を用いることを特徴とするフラーレン重合体膜の製造方法。
- 前記フラーレンが[60]フラーレンであり、前記フラーレン誘導体が[60]フラーレンの誘導体であることを特徴とする請求項1又は2記載のフラーレン重合体膜の製造方法。
- 前記フラーレンがフラーレン混合物であり、前記フラーレン誘導体がフラーレン混合物の誘導体であることを特徴とする請求項1又は2記載のフラーレン重合体膜の製造方法。
- 前記フラーレン誘導体の熱分解温度が100℃以上500℃未満であり、前記第2の工程における加熱温度が500℃以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のフラーレン重合体膜の製造方法。
- 前記フラーレン誘導体が熱分解し、該フラーレン重合体膜となる際の熱分解後の重量減少量が熱分解前の重量に対して5重量%以上であるフラーレン誘導体を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のフラーレン重合体膜の製造方法。
- 前記フラーレン誘導体が酸素原子および窒素原子の少なくとも一つを含む置換基を有し、
前記フラーレン誘導体の重合により生じるフラーレン重合体が前記置換基に由来する酸素原子および窒素原子の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のフラーレン重合体膜の製造方法。
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