JP5894263B2 - 有機半導体材料 - Google Patents
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Description
R1、R2、R2'は、互いに独立して、水素、C1〜C40の直鎖または分岐アルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐ヘテロアルキル基、C3〜C40の直鎖または分岐シクロアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐ヒドロキシアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐アルコキシル基、C1〜C40の直鎖または分岐アルキルカルボン酸基、C1〜C40の直鎖または分岐アルキルカルボキシアミド基、C1〜C40の直鎖または分岐アルキルスルホン酸基、およびC1〜C40の直鎖または分岐ニトリル基からなる群の中で選択され、
Arは、単環式アリール基、多環式アリール基、単環式ヘテロアリール基および多環式ヘテロアリール基からなる群の中で選択され、
Ar'、Ar"は、互いに独立して、単環式アリール基、多環式アリール基、単環式ヘテロアリール基および多環式ヘテロアリール基からなる群の中で選択される部分であり、
n、rは、互いに独立して、1〜50の間の整数であり、
pは、0〜5の間の整数である)
であって、
式Aの化合物
を除外し、
かつ、式Bの化合物
を除外する、
化合物が提供される。
が提供される。
Yは、S、O、NR8からなる群の中で選択され、
R6、R7、R8は、互いに独立して、水素、C1〜C12の直鎖または分岐アルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐ハロゲノアルキル基、C3〜C12の直鎖または分岐シクロアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐ヒドロキシアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐アルコキシル基、C1〜C12の直鎖または分岐アルキルカルボン酸基、C1〜C12の直鎖または分岐アルキルカルボキシアミド基、C1〜C12の直鎖または分岐アルキルスルホン酸基、およびC1〜C12の直鎖または分岐ニトリル基からなる群の中で選択される)
の中から選択される単位である。
R3は、C1〜C12の直鎖または分岐アルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐ハロゲノアルキル基、C3〜C12の直鎖または分岐シクロアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐ヒドロキシアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐アルコキシル基、C1〜C12の直鎖または分岐アルキルカルボン酸基、C1〜C12の直鎖または分岐アルキルカルボキシアミド基、C1〜C12の直鎖または分岐アルキルスルホン酸基、およびC1〜C12の直鎖または分岐ニトリル基からなる群の中で選択される)
からなる群の中で選択される。
mは、1〜50の間の整数である)
が提供される。
が提供される。
が提供される。
N2雰囲気中、-78℃で、nBuLi(2.5M、0.055mol、22ml)の乾燥Et2O(15ml)溶液に、2,3-ジブロモチオフェン(12.1g、0.025mol)を滴下して加えた。最後の部分を添加して10分後、この溶液にCO2ガスを溶かし、白色沈殿物の形成を直ちに観察した。-78℃でさらに30分間、この懸濁液を撹拌し、次に、室温にした。milliQ H2Oを加えることにより反応をクエンチし、次に、NaOH10%により水相を抽出した(3×50ml)。続いて、HCl 6Nを加え、形成した沈殿物をろ過により採取した。EtOH(50ml)およびH2O(200ml)からの再結晶、および最後に、真空下で乾燥すると、9.23gの白色粉末が得られた。
この化合物は、3-ブロモチオフェン-2-カルボン酸5.18g(0.025mol)およびnBuLi30ml(0.075mol)から始めて、3-ブロモチオフェン-2-カルボン酸の合成に使用した手順に従って調製した。EtOH/H2Oからの再結晶により、白色粉末としてチオフェン-2,3-ジカルボン酸が得られた(Y=80%)。
チオフェン-2,3-ジカルボン酸(760mg、5mmol)を、無水酢酸20mlに溶解し、この溶液を140℃で一晩撹拌した。続いてこの反応混合物を、濃縮して淡茶色固体にし、これをトルエンから再結晶すると、チオフェン-2,3-ジカルボン酸無水物が、淡黄色結晶として得られた(Y=50%)。
チオフェン-2,3-ジカルボン酸無水物(171mg、1mmol)およびn-ブチルアミン(77mg、1.05mmol)のトルエン15ml溶液を24時間還流した。冷反応混合物のろ過により、粗生成物を採集した。ろ液を5%塩酸により洗浄し、次いで溶媒を蒸発させることにより、別の一部を得た。トルエンから再結晶すると、2-ブチルカルバモイルチオフェン-3-カルボン酸と3-ブチルカルバモイルチオフェン-2-カルボン酸の混合物が、60%収率で白色固体として得られ、これをさらに精製することなく環化に使用した。
2-ブチルカルバモイルチオフェン-3-カルボン酸および3-ブチルカルバモイルチオフェン-2-カルボン酸(136mg、0.6mmol)の塩化チオニル12ml溶液を3時間、還流した。反応混合物を濃縮して黄色オイルとした。シリカゲル上での石油エーテル:CH2Cl2:AcOEt=6:2:2の使用によるフラッシュクロマトグラフィーにより、5-ブチルチエノ[2,3-c]ピロール-4,6-ジオンを暗黄色オイルとして得た(124mg、Y<99%)。
5-ブチルチエノ[2,3-c]ピロール-4,6-ジオン(123mg、0.59mmol)を、濃硫酸とトリフルオロ酢酸の1:3混合物4mlに溶解した。NBS(116mg、0.65mmol)を、3つに小分けして3時間かけて加え、反応混合物を室温で一晩撹拌した。次に、茶色溶液を水40mlで希釈し、ジクロロメタンにより抽出した。有機相を無水硫酸マグネシウムで脱水し蒸発させると、粗生成物が茶色オイルとして得られた。シリカゲルおよび溶離液として石油エーテル:AcOEt(95:5)を使用したカラムクロマトグラフィーにより精製し、次いで水性エタノールから再結晶すると、所望の2-ブロモ-5-ブチル-5H-チエノ[2,3-c]ピロール-4,6-ジオンが50%収率で得られた。
2-ブロモ-5-ブチル-5H-チエノ[2,3-c]ピロール-4,6-ジオン(101mg、0.35mmol)、インシチュー(in situ)調製したPd(AsPh3)4(5mol%、すなわち、Pd2dba39.0mgおよびAsPh321.4mg)の還流トルエン溶液(6ml)に、N2雰囲気下、80℃でトルエン(2ml)中の2-(トリブチルスタンニル)チオフェン(144mg、0.38mmol)を滴下して加えた。この溶液を2時間還流し、次に溶媒を真空下で除去し、粗生成物を溶離液として石油エーテル中のEtOAc量を増加することによるシリカゲルフラッシュクロマトグラフィーによって精製した。5-ブチル-2-(チオフェン-2-イル)-5H-チエノ[3,2-c]ピロール-4,6-ジオンを鮮黄色微結晶として得た(76mg、75%)。
5-ブチル-2-(チオフェン-2-イル)-5H-チエノ[3,2-c]ピロール-4,6-ジオン(70mg、0.24mmol)を、ジクロロメタンと酢酸溶液の1:1混合物4mlに溶解した。次に、光を遮断して(darkness)NBS(43mg、0.24mmol)を加え、反応混合物を室温で一晩撹拌した。次に、黄色溶液を水10mlで希釈してジクロロメタンで抽出し、10%NaHCO3および水で洗浄した。有機相を無水硫酸ナトリウムで脱水し、蒸発させると化合物10が鮮黄色固体(88mg、99%)として得られ、これをさらに精製することなく使用した。
経路1:2-ブロモ-5-ブチル-5H-チエノ[2,3-c]ピロール-4,6-ジオン(101mg、0.35mmol)、インシチュー調製したPd(AsPh3)4(6mol%、すなわち、Pd2dba311.3mgおよびAsPh326.7mg)の還流トルエン溶液(8ml)に、80℃、N2雰囲気下、トルエン(2ml)中の5,5'-ビス(トリブチルスタンニル)-2,2'-ビチオフェン、8(155mg、0.26mmol)を滴下して加えた。この溶液を24時間還流し、次に溶媒を真空下で除去し、粗生成物を溶離液として石油エーテル:CH2Cl2=50:50から石油エーテル:CH2Cl2:AcOEt=45:45:10の溶液を使用することによるシリカゲルフラッシュクロマトグラフィーによって精製した。目的化合物が、濃(strong)赤色粉末として得られた(76mg、75%)。
2,2'-(2,2'-ビチオフェン-5,5'-ジイル)ビス(5-ブチル-5H-チエノ[2,3-c]ピロール-4,6-ジオン)(化合物12)のUV可視スペクトルおよび蛍光(PL)スペクトルを、JASCO V-550分光光度計により記録した。光ルミネッセンスは、出力20mWによる440nmでのCW He-Cdレーザを使用して励起した。PL励起は、PLスペクトルを調節することなく、GG450カットオフフィルターにより、端を切り捨てた。PL発光は、較正済み光学マルチチャンネルアナライザー(PMA-11、Hamamatsu)により収集した。
2,2'-(2,2'-ビチオフェン-5,5'-ジイル)ビス(5-ブチル-5H-チエノ[2,3-c]ピロール-4,6-ジオン)の熱挙動を、示差走査熱量測定(DSC)分析、およびホットステージ偏光顕微鏡法(POM)の両方を組み合わせることにより検討した。
2,2'-(2,2'-ビチオフェン-5,5'-ジイル)ビス(5-ブチル-5H-チエノ[2,3-c]ピロール-4,6-ジオン)(化合物12)の単結晶解析に、Bruker SMART Apex II CCD二次元検出器型回折計でX線強度データを測定した。最初に、格子寸法および配向マトリックスを、3つの異なるω領域で収集した20回の露光を3連で測定した反射についての最小二乗法精密化から決定し、最終的にすべてのデータに対して精密化した。すべての結晶について、ωを0.3°刻みで逆格子空間の全範囲をスキャンした。データフレームの収集、反射の指数化および格子定数の決定のために、ソフトウェアSMARTを使用した。次に、収集フレームを、SAINTプログラムによって統合するために加工し、SADABSを使用して、経験的吸収補正を適用した。構造は、直接法(SIR 97)とその後にフーリエ合成により解き、非水素原子すべてについて異方性熱パラメーターを使用して、F2のフルマトリックス最小二乗法(SHELXTL)により精密化した。炭素に結合している水素原子は、フーリエ図中で位置を決め、計算した位置を加え、等方性熱パラメーターU(H)=1.2Ueq(C)[U(H)=1.5Ueq(C-Me)]により最終段階での精密化に含めて、それらのキャリア原子(carrier atom)にライディングさせた。
半導体薄膜は、2,2'-(2,2'-ビチオフェン-5,5'-ジイル)ビス(5-ブチル-5H-チエノ[2,3-c]ピロール-4,6-ジオン)の溶液キャストおよび真空昇華により作製した。表面形態学物性評価用の薄膜を、自家製の真空チャンバ内において、基本圧力10-6mbar、0.1Å/秒の堆積速度で、真空昇華により成長させた。膜は、ガラス/ITO/PMMA(450nm)支持体上に形成した。特に、2nm、10nmおよび20nmの3種の膜をそれぞれ形成し、これらの膜の形態学を、NT-MDT Solver Pro AFMによるタッピングモードでの原子間力顕微鏡、およびX線回折により検討した。得られた結果を、図5a)、図5b)および図5c)にそれぞれ示している。図5a〜図5cに示される通り、真空昇華によって得られた膜は、層ごとの成長メカニズムを示しており、これは膜の厚さ、すなわち20nmという高い値についても維持されている(図5cを参照されたい)。原子間力顕微鏡(AFM)による物性評価から、膜表面形態学が、FET素子への適用に関連する膜厚さすべてについて、二次元性(RMS=3nm)が高いと結論付けることができる。このような平坦、かつ滑らかな膜表面は、考えられる最上層との良好な有機的/有機的成長適合性を保証することができ、この理由のため、OLET構造を実現する際には、垂直方向のヘテロ接合手法に特に適したものとなり得る。
2,2'-(2,2'-ビチオフェン-5,5'-ジイル)ビス(5-ブチル-5H-チエノ[2,3-c]ピロール-4,6-ジオン)(化合物12)の薄膜および粉末のX線回折(XRD)パターンを、高速固体状態X'Celerator検出器および銅ターゲット(λ=0.15418nm)を装備したPANalytical X'PertPro回折計を用いることにより行った。データは、各0.05°刻みで100秒収集することにより、3〜40°の2θ間隔で得た。温度スキャンに施した薄膜のインシチューX線回折解析はまた、Anton Paar TTK-450サンプルステージを用いることによっても実施した。化合物12のCH2Cl2溶液(2mg/ml)の数滴(約200μl)を室温で、金属製サンプルホルダ上に直接キャストした。1時間後、小角反射の存在を試験するために、温度を10℃/分で上昇し、固定した温度(室温、100℃、200℃、250℃、285℃)において、2θを3〜8°の範囲で各0.05°刻みで25秒計測して、データ収集を行った。次いで、試料を25℃/分で室温まで冷却し、次に再びスキャンした(100秒/刻み)。
式 C28H24N2O4S4
M 580.73
T、K 293(2)
結晶対称性: 三斜晶系
空間群 P-l
a、Å 4.841(4)
b、Å 11.278(7)
c、Å 12.907(9)
α、° 71.880(9)
β、° 86.80(1)
γ、° 86.93(1)
V、Å3 668.2(8)
Z 1
Dc、Mg m-3 1.443
μ(Mo-Kα)、mm-1 0.394
F(000) 302
結晶サイズ、mm 0.50×0.02×0.01
θ範囲、° 1.66〜24.00
収集反射数 5269
独立反射数 [Fo>4σ(Fo)] 2053
F2の適合度 0.937
R1(F)a[Fo>4σ(Fo)] 0.0956
wR2(F2)b 0.2337
最大回折ピークおよび正孔、e.Å-3 -0.448および1.228
ボトムゲート-トップコンタクト型形状で、有機薄膜トランジスタ(OTFT)を作製した。使用したITO基板の洗浄手順は、最初にアセトン中、次に2-イソプロパノール中で、それぞれ10分間の2サイクルの音波照射からなる。PMMAの厚さ450nmの誘電層を、清浄なITO基板(比誘電率は100Hzにおいてε=3.6)の上表部にスピンコーティングにより成長させた。次に、PMMA膜を、不活性雰囲気下、15時間、120℃(PMMAのガラス転移温度より約10℃高い)でグローブボックス中、熱的にアニールした。2,2'-(2,2'-ビチオフェン-5,5'-ジイル)ビス(5-ブチル-5H-チエノ[2,3-c]ピロール-4,6-ジオン)の厚さ30nmの層を、自家製真空チャンバ内で、基本圧力10-6mbar、堆積速度0.1Å/秒で、真空昇華により成長させた。次に、金製のソース-ドレインコンタクトをこの有機膜上に堆積し、適切にマスクして長さ70μmおよび幅15mmのチャンネルを形成する。膜を堆積している間の基板温度は、室温(RT)に維持した。
Claims (14)
- 式(I)、式(II)、式(III)、および式(IV)
R1、R2、R2'は、互いに独立して、水素、C1〜C40の直鎖または分岐アルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐ヘテロアルキル基、C3〜C40の直鎖または分岐シクロアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐ヒドロキシアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐アルコキシル基、C1〜C40の直鎖または分岐のカルボキシアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐のカルボキシアミドアルキル基、およびC1〜C40の直鎖または分岐のスルホアルキル基からなる群の中で選択され、
Arは、単環式アリール基、多環式アリール基、単環式ヘテロアリール基および多環式ヘテロアリール基からなる群の中で選択され、
Ar'、Ar"は、互いに独立して、単環式アリール基、多環式アリール基、単環式ヘテロアリール基および多環式ヘテロアリール基からなる群の中で選択され、
n、rは、互いに独立して、1〜50の間の整数であり、
pは、0〜5の間の整数である)
からなる群の中で選択される式を有する化合物であって、
式Aの化合物
を除外し、
かつ、式132の化合物
かつ、式Bの化合物
を除外する、
化合物。 - pが0である場合、nが2〜50の間にある、請求項1に記載の化合物。
- 式(Ia)、式(IIa)、式(IIIa)および式(IVa)
R1、R2は、互いに独立して、水素、C1〜C40の直鎖または分岐アルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐ヘテロアルキル基、C3〜C40の直鎖または分岐シクロアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐ヒドロキシアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐アルコキシル基、C1〜C40の直鎖または分岐のカルボキシアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐のカルボキシアミドアルキル基、およびC1〜C40の直鎖または分岐のスルホアルキル基からなる群の中で選択され、
Arは、単環式アリール基、多環式アリール基、単環式ヘテロアリール基および多環式ヘテロアリール基からなる群の中で選択され、
Ar'は、単環式アリール基、多環式アリール基、単環式ヘテロアリール基および多環式ヘテロアリール基からなる群の中で選択される部分である)
からなる群の中で選択される式を有する請求項1または2に記載の化合物。 - Arが、以下の環(f)、(g)、(h)、(i)、(l)、(m)、(n)、(o)、(p)、
R3は、C1〜C12の直鎖または分岐アルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐ハロゲノアルキル基、C3〜C12の直鎖または分岐シクロアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐ヒドロキシアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐アルコキシル基、C1〜C12の直鎖または分岐のカルボキシアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐のカルボキシアミドアルキル基、およびC1〜C12の直鎖または分岐のスルホアルキル基からなる群の中で選択される)
からなる群の中で選択される、請求項3に記載の化合物。 - R1、R2が、互いに独立して、C1〜C12の直鎖または分岐アルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐ヘテロアルキル基、C3〜C12の直鎖または分岐シクロアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐ヒドロキシアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐アルコキシル基、C1〜C12の直鎖または分岐のカルボキシアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐のカルボキシアミドアルキル基、およびC1〜C12の直鎖または分岐のスルホアルキル基からなる群の中で選択される、請求項1から4のいずれか一項に記載の化合物。
- Ar'が、以下の単位(a)、(b)、(c)
Yは、S、O、NR8からなる群の中で選択され、
R6、R7およびR8は、互いに独立して、水素、C1〜C12の直鎖または分岐アルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐ハロゲノアルキル基、C3〜C12の直鎖または分岐シクロアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐ヒドロキシアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐アルコキシル基、C1〜C12の直鎖または分岐のカルボキシアルキル基、C1〜C12の直鎖または分岐のカルボキシアミドアルキル基、およびC1〜C12の直鎖または分岐のスルホアルキル基からなる群の中で選択される)
からなる群の中で選択される単位である、請求項1から5のいずれか一項に記載の化合物。 - 下記式(V)
mは、1〜30の間の整数である)
を有する、請求項1に記載の化合物。 - 式(VI)
- 下記式(VII)
を有する、請求項1に記載の化合物。 - 式(I)、式(II)、式(III)および式(IV)
R1、R2、R2'は、互いに独立して、水素、C1〜C40の直鎖または分岐アルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐ヘテロアルキル基、C3〜C40の直鎖または分岐シクロアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐ヒドロキシアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐アルコキシル基、C1〜C40の直鎖または分岐のカルボキシアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐のカルボキシアミドアルキル基、およびC1〜C40の直鎖または分岐のスルホアルキル基からなる群の中で選択され、
Arは、単環式アリール基、多環式アリール基、単環式ヘテロアリール基および多環式ヘテロアリール基からなる群の中で選択され、
Ar'、Ar"は、互いに独立して、単環式アリール基、多環式アリール基、単環式ヘテロアリール基および多環式ヘテロアリール基からなる群の中で選択され、
n、rは、互いに独立して、1〜50の間の整数であり、
pは、0〜5の間の整数である)
からなる群の中で選択される式を有する化合物の、電子素子における有機半導体材料としての使用。 - 電子素子における有機半導体材料としての、請求項2から9のいずれかに記載の化合物の使用。
- 電子素子におけるn型有機半導体材料としての、請求項11に記載の使用。
- いくつかの電極と接触している半導体層を含む電子素子であって、半導体層が、式(I)、式(II)、式(III)および式(IV)
R1、R2、R2'は、互いに独立して、水素、C1〜C40の直鎖または分岐アルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐ヘテロアルキル基、C3〜C40の直鎖または分岐シクロアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐ヒドロキシアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐アルコキシル基、C1〜C40の直鎖または分岐のカルボキシアルキル基、C1〜C40の直鎖または分岐のカルボキシアミドアルキル基、およびC1〜C40の直鎖または分岐のスルホアルキル基からなる群の中で選択され、
Arは、単環式アリール基、多環式アリール基、単環式ヘテロアリール基および多環式ヘテロアリール基からなる群の中で選択され、
Ar'、Ar"は、互いに独立して、単環式アリール基、多環式アリール基、単環式ヘテロアリール基および多環式ヘテロアリール基からなる群の中で選択され、
n、rは、互いに独立して、1〜50の間の整数であり、
pは、0〜5の間の整数である)
からなる群の中で選択される式を有する少なくとも1つの化合物を含む、電子素子。 - いくつかの電極と接触している半導体層を含む電子素子であって、半導体層が、請求項2から9のいずれか一項に記載の少なくとも1つの化合物を含む、電子素子。
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