JP5972234B2 - Organic thin film transistor, organic semiconductor thin film and organic semiconductor material - Google Patents
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Description
本発明は、有機薄膜トランジスタ、有機半導体薄膜および有機半導体材料などに関する。詳しくは、本発明は、クリセノジピロール構造を有する化合物、該化合物を含有する有機薄膜トランジスタ、該化合物を含有する非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料、該化合物を含有する有機薄膜トランジスタ用材料、該化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液、該化合物を含有する非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜に関する。 The present invention relates to an organic thin film transistor, an organic semiconductor thin film, an organic semiconductor material, and the like. Specifically, the present invention relates to a compound having a chrysenodipyrrole structure, an organic thin film transistor containing the compound, an organic semiconductor material for a non-luminescent organic semiconductor device containing the compound, a material for an organic thin film transistor containing the compound, It is related with the coating solution for nonluminous organic-semiconductor devices characterized by containing this compound, and the organic-semiconductor film for nonluminous organic-semiconductor devices containing this compound.
有機半導体材料を用いたデバイスは、従来のシリコンなどの無機半導体材料を用いたデバイスと比較して、様々な優位性が見込まれているため、高い関心を集めている。有機半導体材料を用いたデバイスの例としては、有機半導体材料を光電変換材料として用いた有機薄膜太陽電池や固体撮像素子などの光電変換素子や、非発光性の有機トランジスタが挙げられる。有機半導体材料を用いたデバイスは、無機半導体材料を用いたデバイスと比べて低温、低コストで大面積の素子を作製できる可能性がある。さらに分子構造を変化させることで容易に材料特性を変化させることが可能であるため材料のバリエーションが豊富であり、無機半導体材料ではなし得なかったような機能や素子を実現することができる。 Devices using organic semiconductor materials are attracting a great deal of interest because they are expected to have various advantages over conventional devices using inorganic semiconductor materials such as silicon. Examples of a device using an organic semiconductor material include a photoelectric conversion element such as an organic thin film solar cell or a solid-state imaging device using the organic semiconductor material as a photoelectric conversion material, and a non-light emitting organic transistor. A device using an organic semiconductor material may be capable of manufacturing a large-area element at a lower temperature and lower cost than a device using an inorganic semiconductor material. Furthermore, since the material characteristics can be easily changed by changing the molecular structure, there are a wide variety of materials, and it is possible to realize functions and elements that could not be achieved with inorganic semiconductor materials.
例えば、特許文献1には、クリセンの両末端にベンゼン環またはヘテロ環(チオフェン環、フラン環、ピロール環)を縮合した化合物が記載されており、特にクリセンの両末端に、窒素原子上に炭素数1〜30の置換基を有するピロール環を有する構造の一般式が記載されている。特許文献1には、この化合物を有機薄膜トランジスタに用いることで移動度が高く、駆動速度が高速で、オン/オフ比が大きい有機薄膜トランジスタが得られることが記載されている。ただし、特許文献1にはクリセンの両末端にピロール環を導入した化合物の具体例としてピロール環の窒素原子上にメチル基を有する化合物のみが列挙されており、特許文献1の実施例ではジベンゾクリセン、ジチエノクリセンについてのみ検討されており、溶解度はクロロホルムに対して0.5質量%程度であった。
一方、特許文献2には、3〜7個の芳香族環の縮合環の両末端または片末端環上にピロール環を有する化合物が記載されており、特にクリセンの両末端に、窒素原子上に炭素数1〜40のアルキル基を有するピロール環を有する構造の一般式が記載されている。特許文献2には、この化合物を有機薄膜トランジスタに用いることで電荷輸送度が高く、閾値電圧が低く、オン/オフ比が大きい有機薄膜トランジスタが得られたと記載されている。ただし、特許文献2の実施例ではクリセンの片方のみの末端に、窒素原子上に炭素数5の分枝アルキル基を有するピロール環を有する化合物についてのみ有機薄膜トランジスタ特性が検討されており、電界効果移動度は0.003cm2/Vs程度と低く、駆動電圧も金電極のボトムゲート・トップコンタクト素子で閾値電圧−40V程度とまだ高い値であった。
For example, Patent Document 1 describes a compound obtained by condensing a benzene ring or a heterocycle (thiophene ring, furan ring, pyrrole ring) at both ends of chrysene, and in particular, a carbon atom on a nitrogen atom at both ends of chrysene. The general formula of the structure which has a pyrrole ring which has a substituent of several 1-30 is described. Patent Document 1 describes that by using this compound for an organic thin film transistor, an organic thin film transistor having a high mobility, a high driving speed, and a large on / off ratio can be obtained. However, Patent Document 1 lists only compounds having a methyl group on the nitrogen atom of the pyrrole ring as specific examples of compounds in which pyrrole rings are introduced at both ends of chrysene. In the example of Patent Document 1, dibenzochrysene is listed. Only dithienochrysene has been studied, and the solubility was about 0.5% by mass with respect to chloroform.
On the other hand, Patent Document 2 describes a compound having a pyrrole ring on both ends or one end of a condensed ring of 3 to 7 aromatic rings, particularly on both ends of chrysene on a nitrogen atom. The general formula of the structure which has a pyrrole ring which has a C1-C40 alkyl group is described. Patent Document 2 describes that by using this compound for an organic thin film transistor, an organic thin film transistor having a high charge transport rate, a low threshold voltage, and a large on / off ratio was obtained. However, in the example of Patent Document 2, the organic thin film transistor characteristics are examined only for a compound having a pyrrole ring having a branched alkyl group having 5 carbon atoms on a nitrogen atom at one end of chrysene, and field effect transfer The voltage was as low as about 0.003 cm 2 / Vs, and the drive voltage was still a high value of about −40 V as a threshold voltage in the bottom gate / top contact element of the gold electrode.
このような状況のもと、本発明者らが特許文献1または2の実施例に記載の化合物を用いた有機薄膜トランジスタについて検討したところ、これらの文献の実施例に記載の化合物の多くは、キャリア移動度が低く、駆動電圧が高く、また、有機溶媒への溶解性も低いものであった。 Under such circumstances, the present inventors examined organic thin film transistors using the compounds described in Examples of Patent Document 1 or 2, and many of the compounds described in Examples of these documents are carriers. The mobility was low, the driving voltage was high, and the solubility in organic solvents was low.
そこで本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために検討を進めた。本発明が解決しようとする課題は、有機薄膜トランジスタの半導体活性層に用いたときにキャリア移動度が高く、かつ、駆動電圧が低くなり、有機溶媒への高い溶解性を有する化合物および該化合物を用いた有機薄膜トランジスタを提供することである。 Therefore, the present inventors proceeded with studies in order to solve such problems of the prior art. The problem to be solved by the present invention is to use a compound having high carrier mobility, low driving voltage and high solubility in an organic solvent when used in a semiconductor active layer of an organic thin film transistor. An organic thin film transistor is provided.
上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明者らは、特許文献1または2の一般式で示された構造の中でも、これらの文献に開示されていなかったクリセノジピロール構造のピロール環の2−位に特定の置換基を導入し、かつ無置換のNHを有する構造とすることで、有機薄膜トランジスタの半導体活性層に用いたときにキャリア移動度が高く、かつ、駆動電圧が低くなり、有機溶媒への高い溶解性を有する化合物が得られることを見出し、本発明に至った。
上記課題を解決するための具体的な手段である本発明は、以下の構成を有する。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that, among the structures represented by the general formulas of Patent Documents 1 and 2, chrysenodipyrrole that has not been disclosed in these documents By introducing a specific substituent at the 2-position of the pyrrole ring of the structure and having an unsubstituted NH, the carrier mobility is high when used in a semiconductor active layer of an organic thin film transistor, and driving The inventors have found that a compound having a low voltage and high solubility in an organic solvent can be obtained, leading to the present invention.
The present invention, which is a specific means for solving the above problems, has the following configuration.
[1] 下記一般式(1)で表される化合物を半導体活性層に含むことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
一般式(1)
R23およびR24はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、R23およびR24のうち少なくとも1つは下記一般式(W)で表される置換基である。)
−S−L−T 一般式(W)
(一般式(W)においてSは−(CRS 2)n−を表す(RSはそれぞれ独立に水素原子またはハロゲン原子を表し、nは0〜17の整数を表す)。Lは下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基または下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表す。Tは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが1以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が1以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のシリル基を表す。ただし、Tが置換または無置換のシリル基を表すのは、Tに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
[2] [1]に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2)で表される化合物であることが好ましい。
一般式(2)
[3] [1]または[2]に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)において、S、LおよびTに含まれる炭素数の合計が5〜18であることが好ましい。
[4] [1]〜[3]のいずれか1項に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)において、Lが前記一般式(L−1)〜(L−6)および(L−10)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基、または前記一般式(L−1)〜(L−6)および(L−10)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基であることが好ましい。
[5] [1]〜[4]のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)において、Lが前記一般式(L−1)で表される2価の連結基を含む2価の連結基であることが好ましい。
[6] [1]〜[5]のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)において、Lが前記一般式(L−1)で表される2価の連結基であり、Tが置換または無置換のアルキル基であることが好ましい。
[7] [1]〜[5]のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)において、Lが前記一般式(L−6)で表される2価の連結基を含む2価の連結基であることが好ましい。
[8] [1]〜[7]のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)において、Tが直鎖アルキル基であることが好ましい。
[9] [1]〜[7]のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)において、Tが分枝アルキル基であることが好ましい。
[10] 下記一般式(1)で表される化合物。
一般式(1)
R23およびR24はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、R23およびR24のうち少なくとも1つは下記一般式(W)で表される置換基である。)
−S−L−T 一般式(W)
(一般式(W)においてSは−(CRS 2)n−を表す(RSはそれぞれ独立に水素原子またはハロゲン原子を表し、nは0〜17の整数を表す)。Lは下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基または下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表す。Tは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが1以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が1以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のシリル基を表す。ただし、Tが置換または無置換のシリル基を表すのは、Tに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
[11] [10]に記載の化合物は、前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2)で表される化合物であることが好ましい。
一般式(2)
[12] [10]または[11]に記載の化合物は、前記一般式(1)において、S、LおよびTに含まれる炭素数の合計が5〜18であることが好ましい。
[13] [10]〜[12]のいずれか1項に記載の化合物は、前記一般式(1)において、Lが前記一般式(L−1)〜(L−6)および(L−10)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基、または前記一般式(L−1)〜(L−6)および(L−10)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基であることが好ましい。
[14] [10]〜[13]のいずれか一項に記載の化合物は、前記一般式(1)において、Lが前記一般式(L−1)で表される2価の連結基を含む2価の連結基であることが好ましい。
[15] [10]〜[14]のいずれか一項に記載の化合物は、前記一般式(1)において、Lが前記一般式(L−1)で表される2価の連結基であり、Tが置換または無置換のアルキル基であることが好ましい。
[16] [10]〜[14]のいずれか一項に記載の化合物は、前記一般式(1)において、Lが前記一般式(L−6)で表される2価の連結基を含む2価の連結基であることが好ましい。
[17] [10]〜[16]のいずれか一項に記載の化合物は、前記一般式(1)において、Tが直鎖アルキル基であることが好ましい。
[18] [10]〜[16]のいずれか一項に記載の化合物は、前記一般式(1)において、Tが分枝アルキル基であることが好ましい。
[19] [10]〜[18]のいずれか一項に記載の化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料。
[20] [10]〜[18]のいずれか一項に記載の化合物を含有することを特徴とする有機薄膜トランジスタ用材料。
[21] [10]〜[18]のいずれか一項に記載の化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液。
[22] [10]〜[18]のいずれか一項に記載の化合物とポリマーバインダーを含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液。
[23] [10]〜[18]のいずれか一項に記載の化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜。
[24] [10]〜[18]のいずれか一項に記載の化合物とポリマーバインダーを含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜。
[25] 溶液塗布法により作製されたことを特徴とする[23]または[24]に記載の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜。
[1] An organic thin film transistor comprising a compound represented by the following general formula (1) in a semiconductor active layer.
General formula (1)
R 23 and R 24 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and at least one of R 23 and R 24 is a substituent represented by the following general formula (W). )
-SLT General Formula (W)
(In the general formula (W), S represents — (CR S 2 ) n — (R S independently represents a hydrogen atom or a halogen atom, and n represents an integer of 0 to 17.) L represents the following general formula. A divalent linking group represented by any one of (L-1) to (L-15) or a divalent linking group represented by any one of the following general formulas (L-1) to (L-15) Represents a divalent linking group in which two or more are bonded, T is a substituted or unsubstituted alkyl group, an oligooxyethylene group having a repeating number v of oxyethylene units of 1 or more, and an oligosiloxane group having 1 or more silicon atoms Or a substituted or unsubstituted silyl group, wherein T represents a substituted or unsubstituted silyl group because L adjacent to T is represented by the following general formula (L-3) (Only when it is a linking group.)
[2] In the organic thin film transistor according to [1], the compound represented by the general formula (1) is preferably a compound represented by the following general formula (2).
General formula (2)
[3] In the organic thin film transistor according to [1] or [2], the total number of carbon atoms contained in S, L and T in the general formula (1) is preferably 5 to 18.
[4] In the organic thin film transistor according to any one of [1] to [3], in the general formula (1), L represents the general formulas (L-1) to (L-6) and (L- 10) to (L-15), or any one of the general formulas (L-1) to (L-6) and (L-10) to (L-15) It is preferable that it is a bivalent coupling group which two or more bivalent coupling groups represented by these couple | bonded.
[5] In the organic thin film transistor according to any one of [1] to [4], in the general formula (1), L represents a divalent linking group represented by the general formula (L-1). The divalent linking group is preferably included.
[6] The organic thin film transistor according to any one of [1] to [5] is a divalent linking group in which L is represented by the general formula (L-1) in the general formula (1). And T is preferably a substituted or unsubstituted alkyl group.
[7] In the organic thin film transistor according to any one of [1] to [5], in the general formula (1), L represents a divalent linking group represented by the general formula (L-6). The divalent linking group is preferably included.
[8] In the organic thin film transistor according to any one of [1] to [7], in the general formula (1), T is preferably a linear alkyl group.
[9] In the organic thin film transistor according to any one of [1] to [7], in the general formula (1), T is preferably a branched alkyl group.
[10] A compound represented by the following general formula (1).
General formula (1)
R 23 and R 24 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and at least one of R 23 and R 24 is a substituent represented by the following general formula (W). )
-SLT General Formula (W)
(In the general formula (W), S represents — (CR S 2 ) n — (R S independently represents a hydrogen atom or a halogen atom, and n represents an integer of 0 to 17.) L represents the following general formula. A divalent linking group represented by any one of (L-1) to (L-15) or a divalent linking group represented by any one of the following general formulas (L-1) to (L-15) Represents a divalent linking group in which two or more are bonded, T is a substituted or unsubstituted alkyl group, an oligooxyethylene group having a repeating number v of oxyethylene units of 1 or more, and an oligosiloxane group having 1 or more silicon atoms Or a substituted or unsubstituted silyl group, wherein T represents a substituted or unsubstituted silyl group because L adjacent to T is represented by the following general formula (L-3) (Only when it is a linking group.)
[11] In the compound according to [10], the compound represented by the general formula (1) is preferably a compound represented by the following general formula (2).
General formula (2)
[12] In the compound according to [10] or [11], the total number of carbon atoms contained in S, L and T in the general formula (1) is preferably 5 to 18.
[13] In the compound according to any one of [10] to [12], in the general formula (1), L represents the general formulas (L-1) to (L-6) and (L-10). ) To (L-15), or any one of the general formulas (L-1) to (L-6) and (L-10) to (L-15). It is preferable that it is a bivalent coupling group which two or more bivalent coupling groups represented by these couple | bonded.
[14] The compound according to any one of [10] to [13] includes a divalent linking group in which L is represented by the general formula (L-1) in the general formula (1). A divalent linking group is preferred.
[15] The compound according to any one of [10] to [14], in the general formula (1), L is a divalent linking group represented by the general formula (L-1). , T is preferably a substituted or unsubstituted alkyl group.
[16] The compound according to any one of [10] to [14] includes a divalent linking group in which L is represented by the general formula (L-6) in the general formula (1). A divalent linking group is preferred.
[17] In the compound according to any one of [10] to [16], T in the general formula (1) is preferably a linear alkyl group.
[18] In the compound according to any one of [10] to [16], T in the general formula (1) is preferably a branched alkyl group.
[19] An organic semiconductor material for non-light-emitting organic semiconductor devices, comprising the compound according to any one of [10] to [18].
[20] A material for an organic thin film transistor, comprising the compound according to any one of [10] to [18].
[21] A coating solution for non-light-emitting organic semiconductor devices, comprising the compound according to any one of [10] to [18].
[22] A coating solution for non-light-emitting organic semiconductor devices, comprising the compound according to any one of [10] to [18] and a polymer binder.
[23] An organic semiconductor thin film for a non-light-emitting organic semiconductor device comprising the compound according to any one of [10] to [18].
[24] An organic semiconductor thin film for a non-light-emitting organic semiconductor device, comprising the compound according to any one of [10] to [18] and a polymer binder.
[25] The organic semiconductor thin film for non-light-emitting organic semiconductor devices according to [23] or [24], which is produced by a solution coating method.
本発明によれば、有機薄膜トランジスタの半導体活性層に用いたときにキャリア移動度が高く、かつ、駆動電圧が低くなり、有機溶媒への高い溶解性を有する化合物および該化合物を用いた有機薄膜トランジスタを提供することができる。 According to the present invention, a compound having high carrier mobility and low driving voltage when used in a semiconductor active layer of an organic thin film transistor and having high solubility in an organic solvent, and an organic thin film transistor using the compound are provided. Can be provided.
以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は「〜」前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本発明において、各一般式の説明において特に区別されずに用いられている場合における水素原子は同位体(重水素原子等)も含んでいることを表す。さらに、置換基を構成する原子は、その同位体も含んでいることを表す。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be made based on representative embodiments and specific examples, but the present invention is not limited to such embodiments. In the present specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
In the present invention, a hydrogen atom when used without being particularly distinguished in the description of each general formula represents that it also contains an isotope (such as a deuterium atom). Furthermore, the atom which comprises a substituent represents that the isotope is also included.
[有機薄膜トランジスタ]
本発明の有機薄膜トランジスタは、下記一般式(1)で表される化合物を半導体活性層に含むことを特徴とする。
一般式(1)
R23およびR24はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、R23およびR24のうち少なくとも1つは下記一般式(W)で表される置換基である。)
−S−L−T 一般式(W)
(一般式(W)においてSは−(CRS 2)n−を表す(RSはそれぞれ独立に水素原子またはハロゲン原子を表し、nは0〜17の整数を表す)。Lは下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基または下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表す。Tは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが1以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が1以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のシリル基を表す。ただし、Tが置換または無置換のシリル基を表すのは、Tに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
The organic thin film transistor of the present invention includes a compound represented by the following general formula (1) in a semiconductor active layer.
General formula (1)
R 23 and R 24 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and at least one of R 23 and R 24 is a substituent represented by the following general formula (W). )
-SLT General Formula (W)
(In the general formula (W), S represents — (CR S 2 ) n — (R S independently represents a hydrogen atom or a halogen atom, and n represents an integer of 0 to 17.) L represents the following general formula. A divalent linking group represented by any one of (L-1) to (L-15) or a divalent linking group represented by any one of the following general formulas (L-1) to (L-15) Represents a divalent linking group in which two or more are bonded, T is a substituted or unsubstituted alkyl group, an oligooxyethylene group having a repeating number v of oxyethylene units of 1 or more, and an oligosiloxane group having 1 or more silicon atoms Or a substituted or unsubstituted silyl group, wherein T represents a substituted or unsubstituted silyl group because L adjacent to T is represented by the following general formula (L-3) (Only when it is a linking group.)
このような構造の一般式(1)で表される化合物は有機溶媒への高い溶解性を有し、一般式(1)で表される化合物を半導体活性層に含むことにより、本発明の有機薄膜トランジスタは、キャリア移動度が高く、駆動電圧が低い。
ここで、特許文献1では、ジベンゾクリセンおよびクリセノジチオフェンに主眼を置いており、本発明と同骨格のクリセノジピロール化合物は例示化合物中に記載されているのみで、実施例には記載がない。また、記載のある例示化合物はピロール環の窒素原子上にメチル基を有し、かつ、ピロール環の2−位にアルキル基を導入した化合物のみであり、これら一連の化合物においては置換基の立体障害が大きいために分子間距離が広がり、十分なHOMO軌道の重なりが得られない。特許文献1にはこれらを有機トランジスタに使用した実施例はなく、もし使用したとしてもキャリア移動度と溶解性の両立は困難である。さらに、実施例に記載のあるジベンゾクリセン、クリセノジチオフェンは電極の仕事関数に比べてHOMOが深く、Au電極を用いたトップコンタクト素子であるにもかかわらす駆動電圧が50V以上と高い。
特許文献2の実施例記載の化合物は前記一般式(1)に含まれない非対称体の骨格であり、電界効果移動度も低い。
これに対し、前記一般式(1)で表される化合物は、無置換のNH構造を有し、かつ2−位に所定の基が導入されていることにより、高いキャリア移動度、低駆動電圧および一般的な有機溶剤に対する溶解性を鼎立するものである。そして、この化合物では、特に、従来の活性水素を有する有機半導体材料と異なり、無置換のNH構造を有することがキャリア移動度を高める上で有利に働く。ここで、無置換のNH構造などの活性水素を有する有機半導体材料は、一般に化学的に弱く、酸化されて導体になりやすい等の理由から、トランジスタへの使用は難しいとされている。例えば、Synthetic Metals 82, 167−173(1996)では、p−トルエンスルホン酸をポリピロールにドープしたフィルムよりも、p−トルエンスルホン酸をポリ(N−メチルピロール)やポリ(N−エチルピロール)にドープしたフィルムの方が、移動度が高くなり、閾値電圧が低くなることが示されている。一方、一般式(1)で表される化合物は、ピロール環の無置換のNH構造が結晶構造を安定化するように作用し、この従来知られていなかったメカニズムによって高いキャリア移動度を得ることができる。
The compound represented by the general formula (1) having such a structure has high solubility in an organic solvent, and the compound represented by the general formula (1) is contained in the semiconductor active layer, whereby the organic compound of the present invention is used. Thin film transistors have high carrier mobility and low driving voltage.
Here, in Patent Document 1, the main focus is on dibenzochrysene and chrysenodithiophene, and the chrysenodipyrrole compound having the same skeleton as that of the present invention is only described in the exemplified compounds, and is described in the examples. There is no. In addition, the exemplified compounds described are only compounds having a methyl group on the nitrogen atom of the pyrrole ring and having an alkyl group introduced into the 2-position of the pyrrole ring. Since the obstacle is large, the intermolecular distance is widened, and sufficient HOMO orbital overlap cannot be obtained. In Patent Document 1, there is no example in which these are used in an organic transistor, and even if used, it is difficult to achieve both carrier mobility and solubility. Furthermore, dibenzochrysene and chrysenodithiophene described in the examples have a deep HOMO compared to the work function of the electrode, and a driving voltage as high as 50 V or more despite being a top contact element using an Au electrode.
The compounds described in Examples of Patent Document 2 are asymmetric skeletons not included in the general formula (1), and have low field effect mobility.
On the other hand, the compound represented by the general formula (1) has an unsubstituted NH structure, and a predetermined group is introduced at the 2-position, so that high carrier mobility and low driving voltage are obtained. And the solubility in general organic solvents. In this compound, unlike an organic semiconductor material having active hydrogen in particular, having an unsubstituted NH structure is advantageous in increasing carrier mobility. Here, an organic semiconductor material having active hydrogen such as an unsubstituted NH structure is generally difficult to use in a transistor because it is chemically weak and easily oxidized to become a conductor. For example, in Synthetic Metals 82, 167-173 (1996), p-toluenesulfonic acid is added to poly (N-methylpyrrole) or poly (N-ethylpyrrole) rather than a film obtained by doping p-toluenesulfonic acid into polypyrrole. It has been shown that doped films have higher mobility and lower threshold voltages. On the other hand, the compound represented by the general formula (1) acts such that the unsubstituted NH structure of the pyrrole ring stabilizes the crystal structure, and obtains high carrier mobility by this previously unknown mechanism. Can do.
なお、有機EL素子材料として有用なものが、ただちに有機薄膜トランジスタ用半導体材料として有用であると言うことはできない。これは、有機EL素子と有機薄膜トランジスタでは、有機化合物に求められる特性が異なるためである。有機EL素子では通常薄膜の膜厚方向(通常数nm〜数100nm)に電荷を輸送する必要があるのに対し、有機薄膜トランジスタでは薄膜面方向の電極間(通常数μm〜数100μm)の長距離を電荷(キャリア)輸送する必要がある。このため、求められるキャリア移動度が格段に高い。そのため、有機薄膜トランジスタ用半導体材料としては、分子の配列秩序が高い、結晶性が高い有機化合物が求められている。また、高いキャリア移動度発現のため、π共役平面は基板に対して直立していることが好ましい。一方、有機EL素子では、発光効率を高めるため、発光効率が高く、面内での発光が均一な素子が求められている。通常、結晶性の高い有機化合物は、面内の電界強度不均一、発光不均一、発光クエンチ等、発光欠陥を生じさせる原因となるため、有機EL素子用材料は結晶性を低くし、アモルファス性の高い材料が望まれる。このため、有機EL素子材料を構成する有機化合物を有機半導体材料にそのまま転用しても、ただちに良好なトランジスタ特性を得ることができる訳ではない。
以下、本発明の化合物や本発明の有機薄膜トランジスタなどの好ましい態様を説明する。
In addition, it cannot be immediately said that what is useful as an organic EL element material is useful as a semiconductor material for organic thin film transistors. This is because organic EL elements and organic thin film transistors have different characteristics required for organic compounds. In the organic EL element, it is usually necessary to transport charges in the film thickness direction (usually several nm to several hundred nm), whereas in the organic thin film transistor, the long distance between the electrodes in the thin film surface direction (usually several μm to several hundred μm). It is necessary to transport charges (carriers). For this reason, the required carrier mobility is remarkably high. Therefore, as a semiconductor material for an organic thin film transistor, an organic compound having high molecular order and high crystallinity is required. In order to develop high carrier mobility, the π conjugate plane is preferably upright with respect to the substrate. On the other hand, in order to increase the light emission efficiency, an organic EL element is required to have a high light emission efficiency and uniform light emission in the surface. In general, organic compounds with high crystallinity cause light emission defects such as in-plane electric field strength non-uniformity, light emission non-uniformity, and light emission quenching, so organic EL device materials have low crystallinity and are amorphous. High material is desired. For this reason, even if the organic compound constituting the organic EL element material is directly transferred to the organic semiconductor material, good transistor characteristics cannot be obtained immediately.
Hereinafter, preferred embodiments of the compound of the present invention and the organic thin film transistor of the present invention will be described.
<一般式(1)で表される化合物>
本発明の化合物は、下記一般式(1)で表されることを特徴とする。本発明の化合物は、本発明の有機薄膜トランジスタにおいて、後述の半導体活性層に含まれる。すなわち、本発明の化合物は、有機薄膜トランジスタ用材料として用いることができる。
一般式(1)
R23およびR24はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、R23およびR24のうち少なくとも1つは下記一般式(W)で表される置換基である。)
−S−L−T 一般式(W)
(一般式(W)においてSは−(CRS 2)n−を表す(RSはそれぞれ独立に水素原子またはハロゲン原子を表し、nは0〜17の整数を表す)。Lは下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基または下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表す。Tは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが1以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が1以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のシリル基を表す。ただし、Tが置換または無置換のシリル基を表すのは、Tに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
The compound of the present invention is represented by the following general formula (1). The compound of this invention is contained in the below-mentioned semiconductor active layer in the organic thin-film transistor of this invention. That is, the compound of the present invention can be used as a material for an organic thin film transistor.
General formula (1)
R 23 and R 24 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and at least one of R 23 and R 24 is a substituent represented by the following general formula (W). )
-SLT General Formula (W)
(In the general formula (W), S represents — (CR S 2 ) n — (R S independently represents a hydrogen atom or a halogen atom, and n represents an integer of 0 to 17.) L represents the following general formula. A divalent linking group represented by any one of (L-1) to (L-15) or a divalent linking group represented by any one of the following general formulas (L-1) to (L-15) Represents a divalent linking group in which two or more are bonded, T is a substituted or unsubstituted alkyl group, an oligooxyethylene group having a repeating number v of oxyethylene units of 1 or more, and an oligosiloxane group having 1 or more silicon atoms Or a substituted or unsubstituted silyl group, wherein T represents a substituted or unsubstituted silyl group because L adjacent to T is represented by the following general formula (L-3) (Only when it is a linking group.)
一般式(1)において、R1〜R10はそれぞれ独立に水素原子またはハロゲン原子を表す。
R1〜R10がとり得るハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子を挙げることができ、フッ素原子が好ましい。
R1〜R10はそれぞれ独立に水素原子を表すことがキャリア移動度を高め、かつ、駆動電圧を低下させる観点から好ましい。
In General formula (1), R < 1 > -R < 10 > represents a hydrogen atom or a halogen atom each independently.
Examples of the halogen atom that R 1 to R 10 can take include a fluorine atom, a chlorine atom, and a bromine atom, and a fluorine atom is preferable.
R 1 to R 10 each independently represent a hydrogen atom from the viewpoint of increasing carrier mobility and reducing driving voltage.
一般式(1)において、R23およびR24はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、少なくとも1つは前記一般式(W)で表される基を表す。
一般式(1)のR23およびR24がそれぞれ独立にとりうる置換基として、ハロゲン原子、アルキル基(メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基等の炭素数1〜40のアルキル基、ただし、2,6−ジメチルオクチル基、2−デシルテトラデシル基、2−ヘキシルドデシル基、2−エチルオクチル基、2−デシルテトラデシル基、2−ブチルデシル基、1−オクチルノニル基、2−エチルオクチル基、2−オクチルテトラデシル基、2−エチルヘキシル基、シクロアルキル基、ビシクロアルキル基、トリシクロアルキル基等を含む)、アルケニル基(1−ペンテニル基、シクロアルケニル基、ビシクロアルケニル基等を含む)、アルキニル基(1−ペンチニル基、トリメチルシリルエチニル基、トリエチルシリルエチニル基、トリ−i−プロピルシリルエチニル基、2−p−プロピルフェニルエチニル基等を含む)、アリール基(フェニル基、ナフチル基、p−ペンチルフェニル基、3,4−ジペンチルフェニル基、p−ヘプトキシフェニル基、3,4−ジヘプトキシフェニル基の炭素数6〜20のアリール基等を含む)、複素環基(ヘテロ環基といってもよい。2−ヘキシルフラニル基等を含む)、シアノ基、ヒドロキシル基、ニトロ基、アシル基(ヘキサノイル基、ベンゾイル基等を含む)、アルコキシ基(ブトキシ基等を含む)、アリールオキシ基、シリルオキシ基、ヘテロ環オキシ基、アシルオキシ基、カルバモイルオキシ基、アミノ基(アニリノ基を含む)、アシルアミノ基、アミノカルボニルアミノ基(ウレイド基含む)、アルコキシおよびアリールオキシカルボニルアミノ基、アルキルおよびアリールスルホニルアミノ基、メルカプト基、アルキルおよびアリールチオ基(メチルチオ基、オクチルチオ基等を含む)、ヘテロ環チオ基、スルファモイル基、スルホ基、アルキルおよびアリールスルフィニル基、アルキルおよびアリールスルホニル基、アルキルおよびアリールオキシカルボニル基、カルバモイル基、アリールおよびヘテロ環アゾ基、イミド基、ホスフィノ基、ホスフィニル基、ホスフィニルオキシ基、ホスフィニルアミノ基、ホスホノ基、シリル基(ジトリメチルシロキシメチルブトキシ基等)、ヒドラジノ基、ウレイド基、ボロン酸基(−B(OH)2)、ホスファト基(−OPO(OH)2)、スルファト基(−OSO3H)、その他の公知の置換基が挙げられる。
また、これら置換基は、さらに上記置換基を有していてもよい。また、前記一般式(1)で表される化合物が繰り返し構造を有する高分子化合物である場合は、R23およびR24が重合性基由来の基を有していてもよい。
In the general formula (1), R 23 and R 24 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and at least one represents a group represented by the general formula (W).
As substituents that R 23 and R 24 in the general formula (1) can independently take, a halogen atom, an alkyl group (methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, C1-C40 alkyl groups such as nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group, tridecyl group, tetradecyl group, pentadecyl group, etc., provided that 2,6-dimethyloctyl group, 2-decyltetradecyl group, 2- Hexyldecyl group, 2-ethyloctyl group, 2-decyltetradecyl group, 2-butyldecyl group, 1-octylnonyl group, 2-ethyloctyl group, 2-octyltetradecyl group, 2-ethylhexyl group, cycloalkyl group, Bicycloalkyl group, tricycloalkyl group and the like), alkenyl group (1-pentenyl group, cycloalkene) Alkynyl group (including 1-pentynyl group, trimethylsilylethynyl group, triethylsilylethynyl group, tri-i-propylsilylethynyl group, 2-p-propylphenylethynyl group, etc.), Aryl group (phenyl group, naphthyl group, p-pentylphenyl group, 3,4-dipentylphenyl group, p-heptoxyphenyl group, 3,4-diheptoxyphenyl group aryl group having 6 to 20 carbon atoms, etc.) Including), heterocyclic groups (may be referred to as heterocyclic groups, including 2-hexylfuranyl group, etc.), cyano groups, hydroxyl groups, nitro groups, acyl groups (including hexanoyl groups, benzoyl groups, etc.), alkoxy Group (including butoxy group), aryloxy group, silyloxy group, heterocyclic oxy group, acyloxy group, carbamoy Oxy group, amino group (including anilino group), acylamino group, aminocarbonylamino group (including ureido group), alkoxy and aryloxycarbonylamino group, alkyl and arylsulfonylamino group, mercapto group, alkyl and arylthio group (methylthio group) , Octylthio group, etc.), heterocyclic thio group, sulfamoyl group, sulfo group, alkyl and arylsulfinyl group, alkyl and arylsulfonyl group, alkyl and aryloxycarbonyl group, carbamoyl group, aryl and heterocyclic azo group, imido group , Phosphino group, phosphinyl group, phosphinyloxy group, phosphinylamino group, phosphono group, silyl group (ditrimethylsiloxymethylbutoxy group etc.), hydrazino group, ureido group, boronic acid group (-B (OH) 2), phosphato group (-OPO (OH) 2), a sulfato group (-OSO 3 H), and other known substituents.
Moreover, these substituents may further have the above substituents. Moreover, when the compound represented by the general formula (1) is a polymer compound having a repeating structure, R 23 and R 24 may have a group derived from a polymerizable group.
前記一般式(1)で表される化合物中において、R23およびR24の両方が前記一般式(W)で表される基であることが、キャリア移動度を高め、駆動電圧を低下させ、有機溶媒への溶解性を高める観点から好ましい。 In the compound represented by the general formula (1), both R 23 and R 24 are groups represented by the general formula (W), which increases carrier mobility and decreases driving voltage, It is preferable from the viewpoint of increasing the solubility in an organic solvent.
一般式(1)において、R23およびR24が少なくとも1つ有する前記一般式(W)で表される基について説明する。
−S−L−T 一般式(W)
(一般式(W)においてSは−(CRS 2)n−を表す(RSはそれぞれ独立に水素原子またはハロゲン原子を表し、nは0〜17の整数を表す)。Lは下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基または下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表す。Tは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが1以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が1以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のシリル基を表す。ただし、Tが置換または無置換のシリル基を表すのは、Tに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
-SLT General Formula (W)
(In the general formula (W), S represents — (CR S 2 ) n — (R S independently represents a hydrogen atom or a halogen atom, and n represents an integer of 0 to 17.) L represents the following general formula. A divalent linking group represented by any one of (L-1) to (L-15) or a divalent linking group represented by any one of the following general formulas (L-1) to (L-15) Represents a divalent linking group in which two or more are bonded, T is a substituted or unsubstituted alkyl group, an oligooxyethylene group having a repeating number v of oxyethylene units of 1 or more, and an oligosiloxane group having 1 or more silicon atoms Or a substituted or unsubstituted silyl group, wherein T represents a substituted or unsubstituted silyl group because L adjacent to T is represented by the following general formula (L-3) (Only when it is a linking group.)
一般式(W)においてSは−(CRS 2)n−を表す。
RSはそれぞれ独立に水素原子またはハロゲン原子を表し、RSがとり得るハロゲン原子の範囲および好ましい範囲は、R1〜R10がとり得るハロゲン原子の範囲および好ましい範囲と同様である。RSは水素原子であることが好ましい。
一般式(W)においてnは0〜17の整数を表し、0〜3であることが好ましく、0または1であることがより好ましく、0であることが特に好ましい。なお、nが0の場合はSは単結合を表す。
In the general formula (W), S represents — (CR S 2 ) n —.
R S independently represents a hydrogen atom or a halogen atom, and the range and preferred range of the halogen atom that R S can take are the same as the range and preferred range of the halogen atom that R 1 to R 10 can take. R S is preferably a hydrogen atom.
In general formula (W), n represents an integer of 0 to 17, preferably 0 to 3, more preferably 0 or 1, and particularly preferably 0. When n is 0, S represents a single bond.
一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基または下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表す。ただし、Tが置換または無置換のシリル基を表すのは、Tに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
一般式(L−1)〜(L−15)において、波線部分はSとの結合位置を示し、*は一般式(L−1)〜(L−15)で表される2価の連結基およびTのいずれかとの結合位置を示す。一般式(L−10)におけるmは4を表し、一般式(L−11)〜(L−13)におけるmは2を表す。一般式(L−1)、(L−2)および(L−10)〜(L−14)におけるR’はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表す。Rnは水素原子またはメチル基を表す。Rsiはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基を表す。一般式(L−1)および(L−2)中のR’はそれぞれLに隣接するTと結合して縮合環を形成してもよい。 In the general formulas (L-1) to (L-15), the wavy line indicates the bonding position with S, and * is a divalent linking group represented by the general formulas (L-1) to (L-15). And the binding position with any of T. M in the general formula (L-10) represents 4, and m in the general formulas (L-11) to (L-13) represents 2. R ′ in general formulas (L-1), (L-2) and (L-10) to (L-14) each independently represents a hydrogen atom or a substituent. R n represents a hydrogen atom or a methyl group. R si each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, an alkenyl group or an alkynyl group. R ′ in general formulas (L-1) and (L-2) may be bonded to T adjacent to L to form a condensed ring.
前記Lが一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基が結合した連結基を形成する場合、一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基の結合数は2〜4であることが好ましく、2または3であることがより好ましい。 When the L forms a linking group to which a divalent linking group represented by any one of the general formulas (L-1) to (L-15) is bonded, the general formulas (L-1) to (L-15) ) Is preferably 2 to 4 and more preferably 2 or 3.
一般式(L−1)、(L−2)および(L−10)〜(L−14)中の置換基R’としては、上記の一般式(1)のR23およびR24が採りうる置換基として例示したものを挙げることができる。その中でも一般式(L−14)中の置換基R’はアルキル基であることが好ましく、(L−14)中のR’がアルキル基である場合は、該アルキル基の炭素数は1〜9であることが好ましく、4〜9であることが化学的安定性、キャリア輸送性の観点からより好ましく、5〜9であることがさらに好ましい。(L−14)中のR’がアルキル基である場合は、該アルキル基は直鎖アルキル基であることが、キャリア移動度を高めることができる観点から好ましい。
Rnは水素原子またはメチル基を表し、メチル基であることが好ましい。
Rsiはそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基アルキニル基を表し、アルキル基であることが好ましい。Rsiがとり得るアルキル基としては特に制限はないが、Rsiがとり得るアルキル基の好ましい範囲はTがシリル基である場合に該シリル基がとり得るアルキル基の好ましい範囲と同様である。Rsiがとり得るアルケニル基としては特に制限はないが、置換または無置換のアルケニル基が好ましく、分枝アルケニル基であることがより好ましく、該アルケニル基の炭素数は2〜3であることが好ましい。Rsiがとり得るアルキニル基としては特に制限はないが、置換または無置換のアルキニル基が好ましく、分枝アルキニル基であることがより好ましく、該アルキニル基の炭素数は2〜3であることが好ましい。
一般式(L−10)におけるmは4を表し、一般式(L−11)〜(L−13)におけるmは2を表す。
As the substituent R ′ in the general formulas (L-1), (L-2) and (L-10) to (L-14), R 23 and R 24 in the above general formula (1) can be adopted. What was illustrated as a substituent can be mentioned. Among them, the substituent R ′ in the general formula (L-14) is preferably an alkyl group. When R ′ in the (L-14) is an alkyl group, the alkyl group has 1 to 1 carbon atoms. 9 is preferable, 4-9 is more preferable from the viewpoint of chemical stability and carrier transportability, and 5-9 is still more preferable. When R ′ in (L-14) is an alkyl group, the alkyl group is preferably a linear alkyl group from the viewpoint of increasing carrier mobility.
R n represents a hydrogen atom or a methyl group, and is preferably a methyl group.
R si each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group or an alkenyl group, preferably an alkyl group. The alkyl group that R si can take is not particularly limited, but the preferred range of the alkyl group that R si can take is the same as the preferred range of the alkyl group that the silyl group can take when T is a silyl group. The alkenyl group that R si can take is not particularly limited, but is preferably a substituted or unsubstituted alkenyl group, more preferably a branched alkenyl group, and the alkenyl group has 2 to 3 carbon atoms. preferable. The alkynyl group that R si can take is not particularly limited, but a substituted or unsubstituted alkynyl group is preferable, a branched alkynyl group is more preferable, and the alkynyl group has 2 to 3 carbon atoms. preferable.
M in the general formula (L-10) represents 4, and m in the general formulas (L-11) to (L-13) represents 2.
Lは前記一般式(L−1)〜(L−6)および(L−10)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基、または前記一般式(L−1)〜(L−6)および(L−10)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基が2以上結合した2価の連結基であることが好ましく、一般式(L−1)および(L−6)のいずれかで表される2価の連結基またはこれらの2価の連結基が2以上結合した2価の連結基であることがより好ましい。
化学的安定性、キャリア輸送性の観点から一般式(L−1)で表される2価の連結基を含む2価の連結基であることが特に好ましく、一般式(L−1)で表される2価の連結基であることがより特に好ましく、Lが前記一般式(L−1)で表される2価の連結基であり、Tが置換または無置換のアルキル基であることがさらにより特に好ましい。
一方、局所ダイポールを緩和し、分子内水素結合により構造を安定化させ、キャリア移動度を高める観点からは、Lが一般式(L−6)で表される2価の連結基を含む2価の連結基であることが特に好ましく、一般式(L−6)で表される2価の連結基であることがより特に好ましい。なお、Lが一般式(L−6)で表される2価の連結基を含む2価の連結基である場合、L中に一般式(L−1)で表される2価の連結基をさらに含まない場合は、S中のnが1以上であることが好ましく、1〜3であることが好ましく、1であることがより好ましい。
L is a divalent linking group represented by any one of the general formulas (L-1) to (L-6) and (L-10) to (L-15), or the general formula (L-1) ~ (L-6) and (L-10) ~ (L-15) are preferably a divalent linking group in which two or more divalent linking groups are bonded to each other. It is more preferable that the divalent linking group represented by any one of -1) and (L-6) or a divalent linking group in which two or more of these divalent linking groups are bonded.
From the viewpoints of chemical stability and carrier transportability, a divalent linking group including a divalent linking group represented by the general formula (L-1) is particularly preferable, and represented by the general formula (L-1). The divalent linking group is more preferably, L is a divalent linking group represented by the general formula (L-1), and T is a substituted or unsubstituted alkyl group. Even more particularly preferred.
On the other hand, from the viewpoint of relaxing local dipoles, stabilizing the structure by intramolecular hydrogen bonding, and increasing carrier mobility, L is a divalent group containing a divalent linking group represented by the general formula (L-6). And particularly preferably a divalent linking group represented by the general formula (L-6). In addition, when L is a divalent linking group containing a divalent linking group represented by the general formula (L-6), a divalent linking group represented by the general formula (L-1) in L When n is not further included, n in S is preferably 1 or more, preferably 1 to 3, and more preferably 1.
前記一般式(W)において、Tは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数が1以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が1以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のシリル基を表す。ただし、Tが置換または無置換のシリル基を表すのは、Tに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。
前記一般式(W)において、Tに隣接するLが前記一般式(L−1)で表される2価の連結基である場合は、Tは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数が1以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が1以上のオリゴシロキサン基であることが好ましく、置換または無置換のアルキル基であることがより好ましい。
前記一般式(W)において、Tに隣接するLが前記一般式(L−2)および(L−4)〜(L−15)で表される2価の連結基である場合は、Tは置換または無置換のアルキル基であることがより好ましい。
前記一般式(W)において、Tに隣接するLが前記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合は、Tは置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のシリル基であることが好ましい。
In the general formula (W), T represents a substituted or unsubstituted alkyl group, an oligooxyethylene group having 1 or more repeating oxyethylene units, an oligosiloxane group having 1 or more silicon atoms, or a substituted or unsubstituted group. Represents a silyl group. However, T represents a substituted or unsubstituted silyl group only when L adjacent to T is a divalent linking group represented by the following general formula (L-3).
In the general formula (W), when L adjacent to T is a divalent linking group represented by the general formula (L-1), T represents a substituted or unsubstituted alkyl group or an oxyethylene unit. It is preferably an oligooxyethylene group having 1 or more repeats and an oligosiloxane group having 1 or more silicon atoms, more preferably a substituted or unsubstituted alkyl group.
In the general formula (W), when L adjacent to T is a divalent linking group represented by the general formulas (L-2) and (L-4) to (L-15), T is It is more preferably a substituted or unsubstituted alkyl group.
In the general formula (W), when L adjacent to T is a divalent linking group represented by the general formula (L-3), T is a substituted or unsubstituted alkyl group, substituted or unsubstituted. The silyl group is preferable.
Tが置換または無置換のアルキル基の場合、炭素数は4〜18であることが好ましく、4〜15であることが化学的安定性、キャリア輸送性の観点からより好ましく、7〜15であることが特に好ましく、7〜13であることがより特に好ましい。Tが上記の範囲の長鎖アルキル基であること、特に長鎖の直鎖アルキル基であることが、分子の直線性が高まり、キャリア移動度を高めることができる観点から好ましい。
Tがアルキル基を表す場合、直鎖アルキル基でも、分枝アルキル基でも、環状アルキル基でもよいが、直鎖アルキル基であることが、分子の直線性が高まり、キャリア移動度を高めることができる観点から好ましい。
一方、有機溶媒への溶解度を高める観点からは、Tが分枝アルキル基であることが好ましい。
前記一般式(1)で表される化合物は、前記−S−L−Tにアルキル基が含まれる場合、Tが表すアルキル基が上記範囲の下限値以上であるとキャリア移動度が高くなる。また、LがTに隣接する一般式(L−1)を含む場合や−S−中のnが1以上である場合は、一般式(L−1)で表されるアルキレン基、−S−中に含まれるアルキレン基およびTで表されるアルキル基が結合して形成されるアルキル基の炭素数が上記範囲の下限値以上であるとキャリア移動度が高くなる。
Tが置換基を有するアルキル基である場合の該置換基としては、ハロゲン原子などを挙げることができ、フッ素原子が好ましい。なお、Tがフッ素原子を有するアルキル基である場合は該アルキル基の水素原子が全てフッ素原子で置換されてパーフルオロアルキル基を形成してもよい。ただし、Tは無置換のアルキル基であることが好ましい。
When T is a substituted or unsubstituted alkyl group, the number of carbon atoms is preferably 4-18, more preferably 4-15, more preferably from the viewpoint of chemical stability and carrier transportability, and 7-15. Is particularly preferable, and 7 to 13 is particularly preferable. It is preferable that T is a long-chain alkyl group in the above range, particularly a long-chain linear alkyl group, from the viewpoint of improving the linearity of the molecule and increasing the carrier mobility.
When T represents an alkyl group, it may be a linear alkyl group, a branched alkyl group, or a cyclic alkyl group, but the linear alkyl group increases the linearity of the molecule and increases the carrier mobility. From the viewpoint of being able to.
On the other hand, from the viewpoint of increasing the solubility in an organic solvent, it is preferable that T is a branched alkyl group.
In the compound represented by the general formula (1), when the alkyl group is contained in the -SLT, the carrier mobility is increased when the alkyl group represented by T is not less than the lower limit of the above range. In addition, when L includes the general formula (L-1) adjacent to T or when n in -S- is 1 or more, an alkylene group represented by the general formula (L-1), -S- Carrier mobility becomes high when the carbon number of the alkyl group formed by combining the alkylene group contained therein and the alkyl group represented by T is not less than the lower limit of the above range.
Examples of the substituent when T is an alkyl group having a substituent include a halogen atom, and a fluorine atom is preferable. In addition, when T is an alkyl group having a fluorine atom, all hydrogen atoms of the alkyl group may be substituted with a fluorine atom to form a perfluoroalkyl group. However, T is preferably an unsubstituted alkyl group.
前記Tがオキシエチレン基の繰り返し数が1以上のオリゴエチレンオキシ基の場合、Tが表す「オキシエチレン基」とは本明細書中、−(OCH2CH2)vOYで表される基のことを言う(オキシエチレン単位の繰り返し数vは1以上の整数を表し、末端のYは水素原子または置換基を表す)。なお、オリゴオキシエチレン基の末端のYが水素原子である場合はヒドロキシ基となる。オキシエチレン単位の繰り返し数vは2〜4であることが好ましく、2〜3であることがさらに好ましい。オリゴオキシエチレン基の末端のヒドロキシ基は封止されていること、すなわちYが置換基を表すことが好ましい。この場合、ヒドロキシ基は、炭素数が1〜3のアルキル基で封止されること、すなわちYが炭素数1〜3のアルキル基であることが好ましく、Yがメチル基やエチル基であることがより好ましく、メチル基であることが特に好ましい。 When T is an oligoethyleneoxy group having a repeating number of oxyethylene groups of 1 or more, the “oxyethylene group” represented by T is a group represented by — (OCH 2 CH 2 ) v OY in the present specification. (The repeating number v of the oxyethylene unit represents an integer of 1 or more, and the terminal Y represents a hydrogen atom or a substituent). In addition, when Y at the terminal of the oligooxyethylene group is a hydrogen atom, it becomes a hydroxy group. The repeating number v of oxyethylene units is preferably 2 to 4, and more preferably 2 to 3. The terminal hydroxy group of the oligooxyethylene group is preferably sealed, that is, Y represents a substituent. In this case, the hydroxy group is preferably sealed with an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, that is, Y is preferably an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and Y is a methyl group or an ethyl group. Is more preferable, and a methyl group is particularly preferable.
前記Tが、ケイ素原子数が1以上のオリゴシロキサン基の場合、シロキサン単位の繰り返し数は2〜4であることが好ましく、2〜3であることがさらに好ましい。また、Si原子には、水素原子やアルキル基が結合することが好ましい。Si原子にアルキル基が結合する場合、アルキル基の炭素数は1〜3であることが好ましく、例えば、メチル基やエチル基が結合することが好ましい。Si原子には、同一のアルキル基が結合してもよく、異なるアルキル基または水素原子が結合してもよい。また、オリゴシロキサン基を構成するシロキサン単位はすべて同一であっても異なっていてもよいが、すべて同一であることが好ましい。 When the T is an oligosiloxane group having 1 or more silicon atoms, the number of repeating siloxane units is preferably 2 to 4, and more preferably 2 to 3. Further, it is preferable that a hydrogen atom or an alkyl group is bonded to the Si atom. When the alkyl group is bonded to the Si atom, the alkyl group preferably has 1 to 3 carbon atoms, and for example, a methyl group or an ethyl group is preferably bonded. The same alkyl group may be bonded to the Si atom, or different alkyl groups or hydrogen atoms may be bonded to it. Moreover, although all the siloxane units which comprise an oligosiloxane group may be the same or different, it is preferable that all are the same.
Tに隣接するLが前記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限り、Tが置換または無置換のシリル基をとり得る。Tが置換または無置換のシリル基である場合はその中でも、Tが置換シリル基であることが好ましい。シリル基の置換基としては特に制限はないが、置換または無置換のアルキル基が好ましく、分枝アルキル基であることがより好ましい。Tがトリアルキルシリル基の場合、Si原子に結合するアルキル基の炭素数は1〜3であることが好ましく、例えば、メチル基やエチル基やイソプロピル基が結合することが好ましい。Si原子には、同一のアルキル基が結合してもよく、異なるアルキル基が結合してもよい。Tがアルキル基上にさらに置換基を有するトリアルキルシリル基である場合の該置換基としては、特に制限はない。 Only when L adjacent to T is a divalent linking group represented by the general formula (L-3), T may be a substituted or unsubstituted silyl group. Among them, when T is a substituted or unsubstituted silyl group, it is preferable that T is a substituted silyl group. Although there is no restriction | limiting in particular as a substituent of a silyl group, A substituted or unsubstituted alkyl group is preferable and it is more preferable that it is a branched alkyl group. When T is a trialkylsilyl group, the alkyl group bonded to the Si atom preferably has 1 to 3 carbon atoms. For example, a methyl group, an ethyl group, or an isopropyl group is preferably bonded. The same alkyl group may be bonded to the Si atom, or different alkyl groups may be bonded thereto. When T is a trialkylsilyl group further having a substituent on the alkyl group, the substituent is not particularly limited.
一般式(W)において、S、LおよびTに含まれる炭素数の合計は5以上であることが有機薄膜トランジスタの半導体活性層に用いたときにキャリア移動度が高くなり、駆動電圧が低くなり、膜質が良好となり、有機溶媒に対する溶解性が高くなるために好ましい。
一方、一般式(W)において、S、LおよびTに含まれる炭素数の合計は30以下であることが有機溶媒に対する溶解性が高くなる観点から好ましく、18以下であることが有機薄膜トランジスタの半導体活性層に用いたときにキャリア移動度が高くなり、駆動電圧が低くなり、有機溶媒に対する溶解性が高くなる観点からより好ましい。
S、LおよびTに含まれる炭素数の合計は5〜14であることがより好ましく、6〜14であることがさらに好ましく、8〜14であることが特に好ましく、8〜12であることがより特に好ましい。
In the general formula (W), when the total number of carbon atoms contained in S, L and T is 5 or more when used in the semiconductor active layer of the organic thin film transistor, the carrier mobility becomes high, and the driving voltage becomes low. It is preferable because the film quality is good and the solubility in an organic solvent is high.
On the other hand, in the general formula (W), the total number of carbon atoms contained in S, L and T is preferably 30 or less from the viewpoint of increasing the solubility in organic solvents, and 18 or less is a semiconductor of the organic thin film transistor. When used in the active layer, the carrier mobility is increased, the driving voltage is decreased, and the solubility in an organic solvent is more preferable.
The total number of carbon atoms contained in S, L and T is more preferably 5 to 14, more preferably 6 to 14, particularly preferably 8 to 14, and more preferably 8 to 12. More particularly preferred.
前記一般式(1)で表される化合物は、下記一般式(2)で表される化合物であることが好ましい。
一般式(2)
General formula (2)
一般式(2)において、R23およびR24はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、R23およびR24のうち少なくとも1つは前記一般式(W)で表される基である。
一般式(2)におけるR23およびR24の好ましい範囲は、一般式(1)におけるR23およびR24の好ましい範囲と同様である。
In the general formula (2), R 23 and R 24 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and at least one of R 23 and R 24 is a group represented by the general formula (W).
A preferred range of R 23 and R 24 in the general formula (2) are the same as the preferred ranges of R 23 and R 24 in the general formula (1).
以下に上記一般式(1)で表される化合物の具体例を以下に示すが、本発明で用いることができる一般式(1)で表される化合物は、これらの具体例により限定的に解釈されるべきものではない。 Specific examples of the compound represented by the above general formula (1) are shown below, but the compound represented by the general formula (1) that can be used in the present invention is limitedly interpreted by these specific examples. Should not be done.
上記一般式(1)で表される化合物は、繰り返し構造をとっても良く、低分子でも高分子でも良い。前記一般式(1)で表される化合物が低分子化合物の場合は、分子量が3000以下であることが好ましく、2000以下であることがより好ましく、1000以下であることがさらに好ましく、850以下であることが特に好ましい。分子量を上記上限値以下とすることにより、溶媒への溶解性を高めることができるため好ましい。
一方で、薄膜の膜質安定性の観点からは、分子量は400以上であることが好ましく、450以上であることがより好ましく、500以上であることがさらに好ましい。
また、前記一般式(1)で表される化合物が繰り返し構造を有する高分子化合物の場合は、重量平均分子量が3万以上であることが好ましく、5万以上であることがより好ましく、10万以上であることがさらに好ましい。前記一般式(1)で表される化合物が繰り返し構造を有する高分子化合物である場合に、重量平均分子量を上記下限値以上とすることにより、分子間相互作用を高めることができ、高い移動度が得られるため好ましい。
繰り返し構造を有する高分子化合物としては、一般式(1)で表される化合物が少なくとも1つ以上のアリーレン基、ヘテロアリーレン基(チオフェン、ビチオフェン)を表して繰り返し構造を示すπ共役ポリマーや、一般式(1)で表される化合物が高分子主鎖に側鎖を介して結合したペンダント型ポリマーがあげられ、高分子主鎖としては、ポリアクリレート、ポリビニル、ポリシロキサンなどが好ましく、側鎖としては、アルキレン基、ポリエチレンオキシド基などが好ましい。
The compound represented by the general formula (1) may have a repeating structure, and may be a low molecule or a polymer. When the compound represented by the general formula (1) is a low molecular compound, the molecular weight is preferably 3000 or less, more preferably 2000 or less, further preferably 1000 or less, and 850 or less. It is particularly preferred. It is preferable to make the molecular weight not more than the above upper limit value because the solubility in a solvent can be increased.
On the other hand, from the viewpoint of film quality stability of the thin film, the molecular weight is preferably 400 or more, more preferably 450 or more, and further preferably 500 or more.
In the case where the compound represented by the general formula (1) is a polymer compound having a repeating structure, the weight average molecular weight is preferably 30,000 or more, more preferably 50,000 or more, and 100,000 More preferably, it is the above. When the compound represented by the general formula (1) is a polymer compound having a repeating structure, the intermolecular interaction can be increased by setting the weight average molecular weight to be equal to or higher than the above lower limit, and high mobility. Is preferable.
Examples of the polymer compound having a repeating structure include a π-conjugated polymer in which the compound represented by the general formula (1) represents at least one arylene group or heteroarylene group (thiophene, bithiophene) and exhibits a repeating structure, A pendant polymer in which a compound represented by the formula (1) is bonded to a polymer main chain through a side chain is exemplified. As the polymer main chain, polyacrylate, polyvinyl, polysiloxane, and the like are preferable. Is preferably an alkylene group or a polyethylene oxide group.
前記一般式(1)で表される化合物は、WO2010/024388号公報、WO2013/078407号公報、Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 2488などを参考にして合成することができる。
本発明の化合物の合成において、いかなる反応条件を用いてもよい。反応溶媒としては、いかなる溶媒を用いてもよい。また、環形成反応促進のために、酸または塩基を用いることが好ましく、特に塩基を用いることが好ましい。最適な反応条件は、目的とするクリセノジピロール誘導体の構造により異なるが、上記の文献に記載された具体的な反応条件を参考に設定することができる。
The compound represented by the general formula (1) is disclosed in WO2010 / 024388, WO2013 / 078407, Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 2488, etc. can be used as a reference for synthesis.
Any reaction conditions may be used in the synthesis of the compounds of the invention. Any solvent may be used as the reaction solvent. In order to promote the ring formation reaction, it is preferable to use an acid or a base, and it is particularly preferable to use a base. Optimum reaction conditions vary depending on the structure of the target chrysenodipyrrole derivative, but can be set with reference to specific reaction conditions described in the above-mentioned documents.
各種置換基を有する合成中間体は公知の反応を組み合わせて合成することができる。また、各置換基はいずれの中間体の段階で導入してもよい。中間体の合成後は、カラムクロマトグラフィー、再結晶等による精製を行った後、昇華精製により精製する事が好ましい。昇華精製により、有機不純物を分離できるだけでなく、無機塩や残留溶媒等を効果的に取り除くことができる。 Synthetic intermediates having various substituents can be synthesized by combining known reactions. Each substituent may be introduced at any intermediate stage. After the synthesis of the intermediate, it is preferable to purify by sublimation purification after purification by column chromatography, recrystallization or the like. By sublimation purification, not only can organic impurities be separated, but inorganic salts and residual solvents can be effectively removed.
<有機薄膜トランジスタの構造>
本発明の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)で表される化合物を含む半導体活性層を有する。
本発明の有機薄膜トランジスタは、さらに前記半導体活性層以外にその他の層を含んでいてもよい。
本発明の有機薄膜トランジスタは、有機電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor、FET)として用いられることが好ましく、ゲート−チャンネル間が絶縁されている絶縁ゲート型FETとして用いられることがより好ましい。
以下、本発明の有機薄膜トランジスタの好ましい構造の態様について、図面を用いて詳しく説明するが、本発明はこれらの態様に限定されるものではない。
<Structure of organic thin film transistor>
The organic thin-film transistor of this invention has a semiconductor active layer containing the compound represented by the said General formula (1).
The organic thin film transistor of the present invention may further include other layers in addition to the semiconductor active layer.
The organic thin film transistor of the present invention is preferably used as an organic field effect transistor (FET), and more preferably as an insulated gate FET in which a gate-channel is insulated.
Hereinafter, although the aspect of the preferable structure of the organic thin-film transistor of this invention is demonstrated in detail using drawing, this invention is not limited to these aspects.
(積層構造)
有機電界効果トランジスタの積層構造としては特に制限はなく、公知の様々な構造のものとすることができる。
本発明の有機薄膜トランジスタの構造の一例としては、最下層の基板の上面に、電極、絶縁体層、半導体活性層(有機半導体層)、2つの電極を順に配置した構造(ボトムゲート・トップコンタクト型)を挙げることができる。この構造では、最下層の基板の上面の電極は基板の一部に設けられ、絶縁体層は、電極以外の部分で基板と接するように配置される。また、半導体活性層の上面に設けられる2つの電極は、互いに隔離して配置される。
ボトムゲート・トップコンタクト型素子の構成を図1に示す。図1は、本発明の有機薄膜トランジスタの一例の構造の断面を示す概略図である。図1の有機薄膜トランジスタは、最下層に基板11を配置し、その上面の一部に電極12を設け、さらに該電極12を覆い、かつ電極12以外の部分で基板11と接するように絶縁体層13を設けている。さらに絶縁体層13の上面に半導体活性層14を設け、その上面の一部に2つの電極15aと15bとを隔離して配置している。
図1に示した有機薄膜トランジスタは、電極12がゲートであり、電極15aと電極15bはそれぞれドレインまたはソースである。また、図1に示した有機薄膜トランジスタは、ドレイン−ソース間の電流通路であるチャンネルと、ゲートとの間が絶縁されている絶縁ゲート型FETである。
(Laminated structure)
There is no restriction | limiting in particular as a laminated structure of an organic field effect transistor, It can be set as the thing of various well-known structures.
As an example of the structure of the organic thin film transistor of the present invention, a structure in which an electrode, an insulator layer, a semiconductor active layer (organic semiconductor layer), and two electrodes are sequentially arranged on the upper surface of the lowermost substrate (bottom gate / top contact type) ). In this structure, the electrode on the upper surface of the lowermost substrate is provided on a part of the substrate, and the insulator layer is disposed so as to be in contact with the substrate at a portion other than the electrode. Further, the two electrodes provided on the upper surface of the semiconductor active layer are arranged separately from each other.
The structure of the bottom gate / top contact type element is shown in FIG. FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of an example of the structure of the organic thin film transistor of the present invention. The organic thin film transistor of FIG. 1 has a
In the organic thin film transistor shown in FIG. 1, the
本発明の有機薄膜トランジスタの構造の一例としては、ボトムゲート・ボトムコンタクト型素子を挙げることができる。
ボトムゲート・ボトムコンタクト型素子の構成を図2に示す。図2は本発明の実施例でFET特性測定用基板として製造した有機薄膜トランジスタの構造の断面を示す概略図である。図2の有機薄膜トランジスタは、最下層に基板31を配置し、その上面の一部に電極32を設け、さらに該電極32を覆い、かつ電極32以外の部分で基板31と接するように絶縁体層33を設けている。さらに絶縁体層33の上面に半導体活性層35を設け、電極34aと34bが半導体活性層35の下部にある。
図2に示した有機薄膜トランジスタは、電極32がゲートであり、電極34aと電極34bはそれぞれドレインまたはソースである。また、図2に示した有機薄膜トランジスタは、ドレイン−ソース間の電流通路であるチャンネルと、ゲートとの間が絶縁されている絶縁ゲート型FETである。
An example of the structure of the organic thin film transistor of the present invention is a bottom gate / bottom contact type element.
The structure of the bottom gate / bottom contact type element is shown in FIG. FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of the structure of an organic thin film transistor manufactured as a substrate for measuring FET characteristics in an example of the present invention. In the organic thin film transistor of FIG. 2, the
In the organic thin film transistor shown in FIG. 2, the
本発明の有機薄膜トランジスタの構造としては、その他、絶縁体、ゲート電極が半導体活性層の上部にあるトップゲート・トップコンタクト型素子や、トップゲート・ボトムコンタクト型素子も好ましく用いることができる。 As the structure of the organic thin film transistor of the present invention, a top gate / top contact type element having an insulator and a gate electrode above the semiconductor active layer, and a top gate / bottom contact type element can also be preferably used.
(厚さ)
本発明の有機薄膜トランジスタは、より薄いトランジスタとする必要がある場合には、例えばトランジスタ全体の厚さを0.1〜0.5μmとすることが好ましい。
(thickness)
When the organic thin film transistor of the present invention needs to be a thinner transistor, for example, the thickness of the entire transistor is preferably 0.1 to 0.5 μm.
(封止)
有機薄膜トランジスタ素子を大気や水分から遮断し、有機薄膜トランジスタ素子の保存性を高めるために、有機薄膜トランジスタ素子全体を金属の封止缶やガラス、窒化ケイ素などの無機材料、パリレンなどの高分子材料や、低分子材料などで封止してもよい。
以下、本発明の有機薄膜トランジスタの各層の好ましい態様について説明するが、本発明はこれらの態様に限定されるものではない。
(Sealing)
In order to shield the organic thin film transistor element from the air and moisture and improve the storage stability of the organic thin film transistor element, the entire organic thin film transistor element is made of a metal sealing can, glass, an inorganic material such as silicon nitride, a polymer material such as parylene, It may be sealed with a low molecular material or the like.
Hereinafter, although the preferable aspect of each layer of the organic thin-film transistor of this invention is demonstrated, this invention is not limited to these aspects.
<基板>
(材料)
本発明の有機薄膜トランジスタは、基板を含むことが好ましい。
前記基板の材料としては特に制限はなく、公知の材料を用いることができ、例えば、ポリエチレンナフトエート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)などのポリエステルフィルム、シクロオレフィンポリマーフィルム、ポリカーボネートフィルム、トリアセチルセルロース(TAC)フィルム、ポリイミドフィルム、およびこれらポリマーフィルムを極薄ガラスに貼り合わせたもの、セラミック、シリコン、石英、ガラス、などを挙げることができ、シリコンが好ましい。
<Board>
(material)
The organic thin film transistor of the present invention preferably includes a substrate.
There is no restriction | limiting in particular as a material of the said board | substrate, For example, a well-known material can be used, For example, polyester films, such as a polyethylene naphthoate (PEN) and a polyethylene terephthalate (PET), a cycloolefin polymer film, a polycarbonate film, a triacetyl cellulose (TAC) film, polyimide film, and those obtained by bonding these polymer films to ultrathin glass, ceramic, silicon, quartz, glass, and the like can be mentioned, and silicon is preferred.
<電極>
(材料)
本発明の有機薄膜トランジスタは、電極を含むことが好ましい。
前記電極の構成材料としては、例えば、Cr、Al、Ta、Mo、Nb、Cu、Ag、Au、Pt、Pd、In、NiあるいはNdなどの金属材料やこれらの合金材料、あるいはカーボン材料、導電性高分子などの既知の導電性材料であれば特に制限することなく使用できる。
<Electrode>
(material)
The organic thin film transistor of the present invention preferably includes an electrode.
Examples of the constituent material of the electrode include metal materials such as Cr, Al, Ta, Mo, Nb, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, In, Ni, and Nd, alloy materials thereof, carbon materials, and conductive materials. Any known conductive material such as a conductive polymer can be used without particular limitation.
(厚さ)
電極の厚さは特に制限はないが、10〜50nmとすることが好ましい。
ゲート幅(またはチャンネル幅)Wとゲート長(またはチャンネル長)Lに特に制限はないが、これらの比W/Lが10以上であることが好ましく、20以上であることがより好ましい。
(thickness)
The thickness of the electrode is not particularly limited, but is preferably 10 to 50 nm.
There is no particular limitation on the gate width (or channel width) W and the gate length (or channel length) L, but the ratio W / L is preferably 10 or more, more preferably 20 or more.
<絶縁層>
(材料)
絶縁層を構成する材料は必要な絶縁効果が得られれば特に制限はないが、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、PTFE、CYTOP等のフッ素ポリマー系絶縁材料、ポリエステル絶縁材料、ポリカーボネート絶縁材料、アクリルポリマー系絶縁材料、エポキシ樹脂系絶縁材料、ポリイミド絶縁材料、ポリビニルフェノール樹脂系絶縁材料、ポリパラキシリレン樹脂系絶縁材料などが挙げられる。
絶縁層の上面は表面処理がなされていてもよく、例えば、二酸化ケイ素表面をヘキサメチルジシラザン(HMDS)やオクタデシルトリクロロシラン(OTS)の塗布により表面処理した絶縁層を好ましく用いることができる。
<Insulating layer>
(material)
The material constituting the insulating layer is not particularly limited as long as the necessary insulating effect can be obtained. For example, fluorine polymer insulating materials such as silicon dioxide, silicon nitride, PTFE, CYTOP, polyester insulating materials, polycarbonate insulating materials, acrylic polymers Insulating material, epoxy resin insulating material, polyimide insulating material, polyvinylphenol resin insulating material, polyparaxylylene resin insulating material, and the like.
The upper surface of the insulating layer may be surface-treated. For example, an insulating layer whose surface is treated by applying hexamethyldisilazane (HMDS) or octadecyltrichlorosilane (OTS) to the silicon dioxide surface can be preferably used.
(厚さ)
絶縁層の厚さに特に制限はないが、薄膜化が求められる場合は厚さを10〜400nmとすることが好ましく、20〜200nmとすることがより好ましく、50〜200nmとすることが特に好ましい。
(thickness)
The thickness of the insulating layer is not particularly limited, but when thinning is required, the thickness is preferably 10 to 400 nm, more preferably 20 to 200 nm, and particularly preferably 50 to 200 nm. .
<半導体活性層>
(材料)
本発明の有機薄膜トランジスタは、前記半導体活性層が前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含むことを特徴とする。
前記半導体活性層は、本発明の化合物からなる層であってもよく、本発明の化合物に加えて後述のポリマーバインダーがさらに含まれた層であってもよい。また、成膜時の残留溶媒が含まれていてもよい。
前記半導体活性層中における前記ポリマーバインダーの含有量は、特に制限はないが、好ましくは0〜95質量%の範囲内で用いられ、より好ましくは10〜90質量%の範囲内で用いられ、さらに好ましくは20〜80質量%の範囲内で用いられ、特に好ましくは30〜70質量%の範囲内で用いられる。
<Semiconductor active layer>
(material)
The organic thin film transistor of the present invention is characterized in that the semiconductor active layer contains the compound represented by the general formula (1), that is, the compound of the present invention.
The semiconductor active layer may be a layer made of the compound of the present invention, or may be a layer further containing a polymer binder described later in addition to the compound of the present invention. Moreover, the residual solvent at the time of film-forming may be contained.
The content of the polymer binder in the semiconductor active layer is not particularly limited, but is preferably used in the range of 0 to 95% by mass, more preferably in the range of 10 to 90% by mass, Preferably it is used within the range of 20 to 80% by mass, and particularly preferably within the range of 30 to 70% by mass.
(厚さ)
半導体活性層の厚さに特に制限はないが、薄膜化が求められる場合は厚さを10〜400nmとすることが好ましく、10〜200nmとすることがより好ましく、10〜100nmとすることが特に好ましい。
(thickness)
Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of a semiconductor active layer, When thinning is calculated | required, it is preferable to set thickness to 10-400 nm, It is more preferable to set it as 10-200 nm, It is especially preferable to set it as 10-100 nm. preferable.
[非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料]
本発明は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含有する非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料にも関する。
[Organic semiconductor materials for non-luminescent organic semiconductor devices]
The present invention also relates to an organic semiconductor material for a non-light-emitting organic semiconductor device containing the compound represented by the general formula (1), that is, the compound of the present invention.
(非発光性有機半導体デバイス)
なお、本明細書において、「非発光性有機半導体デバイス」とは、発光することを目的としないデバイスを意味する。非発光性有機半導体デバイスは、薄膜の層構造を有するエレクトロニクス要素を用いた非発光性有機半導体デバイスとすることが好ましい。非発光性有機半導体デバイスには、有機薄膜トランジスタ、有機光電変換素子(光センサ用途の固体撮像素子、エネルギー変換用途の太陽電池等)、ガスセンサ、有機整流素子、有機インバータ、情報記録素子などが包含される。有機光電変換素子は光センサ用途(固体撮像素子)、エネルギー変換用途(太陽電池)のいずれにも用いることができる。好ましくは、有機光電変換素子、有機薄膜トランジスタであり、さらに好ましくは有機薄膜トランジスタである。すなわち、本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料は、上述のとおり有機薄膜トランジスタ用材料であることが好ましい。
(Non-luminescent organic semiconductor devices)
In the present specification, the “non-light emitting organic semiconductor device” means a device not intended to emit light. The non-light-emitting organic semiconductor device is preferably a non-light-emitting organic semiconductor device using an electronic element having a thin film layer structure. Non-light-emitting organic semiconductor devices include organic thin film transistors, organic photoelectric conversion elements (solid-state imaging elements for optical sensors, solar cells for energy conversion, etc.), gas sensors, organic rectifying elements, organic inverters, information recording elements, etc. The The organic photoelectric conversion element can be used for both optical sensor applications (solid-state imaging elements) and energy conversion applications (solar cells). An organic photoelectric conversion element and an organic thin film transistor are preferable, and an organic thin film transistor is more preferable. That is, the organic semiconductor material for a non-light-emitting organic semiconductor device of the present invention is preferably an organic thin film transistor material as described above.
(有機半導体材料)
本明細書において、「有機半導体材料」とは、半導体の特性を示す有機材料のことである。無機材料からなる半導体と同様に、正孔をキャリアとして伝導するp型(ホール輸送性)有機半導体と、電子をキャリアとして伝導するn型(電子輸送性)有機半導体がある。
本発明の化合物はp型有機半導体材料、n型の有機半導体材料のどちらとして用いてもよいが、p型として用いることがより好ましい。有機半導体中のキャリアの流れやすさはキャリア移動度μで表される。キャリア移動度μは高い方がよく、1×10-3cm2/Vs以上であることが好ましく、5×10-3cm2/Vs以上であることがより好ましく、1×10-2cm2/Vs以上であることが特に好ましく、1×10-1cm2/Vs以上であることがより特に好ましく、1cm2/Vs以上であることがよりさらに特に好ましい。キャリア移動度μは電界効果トランジスタ(FET)素子を作製したときの特性や飛行時間計測(TOF)法により求めることができる。
(Organic semiconductor materials)
In the present specification, the “organic semiconductor material” is an organic material exhibiting semiconductor characteristics. Similar to semiconductors made of inorganic materials, there are p-type (hole-transporting) organic semiconductors that conduct holes as carriers, and n-type (electron-transporting) organic semiconductors that conduct electrons as carriers.
The compound of the present invention may be used as either a p-type organic semiconductor material or an n-type organic semiconductor material, but is more preferably used as a p-type. The ease of carrier flow in the organic semiconductor is represented by carrier mobility μ. The carrier mobility μ is preferably high, preferably 1 × 10 −3 cm 2 / Vs or more, more preferably 5 × 10 −3 cm 2 / Vs or more, and 1 × 10 −2 cm 2. / Vs or higher is particularly preferable, 1 × 10 −1 cm 2 / Vs or higher is more preferable, and 1 cm 2 / Vs or higher is even more preferable. The carrier mobility μ can be obtained by characteristics when a field effect transistor (FET) element is manufactured or by a time-of-flight measurement (TOF) method.
[非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜]
(材料)
本発明は、上記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含有する非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜にも関する。
本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含有し、ポリマーバインダーを含有しない態様も好ましい。
また、本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物とポリマーバインダーを含有してもよい。
[Organic semiconductor thin film for non-luminescent organic semiconductor devices]
(material)
The present invention also relates to a compound represented by the above general formula (1), that is, an organic semiconductor thin film for a non-light-emitting organic semiconductor device containing the compound of the present invention.
The aspect in which the organic semiconductor thin film for a non-luminescent organic semiconductor device of the present invention contains the compound represented by the general formula (1), that is, the compound of the present invention and does not contain a polymer binder is also preferable.
Moreover, the organic-semiconductor thin film for nonluminous organic-semiconductor devices of this invention may contain the compound represented by the said General formula (1), ie, the compound of this invention, and a polymer binder.
前記ポリマーバインダーとしては、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリウレタン、ポリシロキサン、ポリスルフォン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、セルロース、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの絶縁性ポリマー、およびこれらの共重合体、ポリビニルカルバゾール、ポリシランなどの光伝導性ポリマー、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリパラフェニレンビニレンなどの導電性ポリマー、半導体ポリマーを挙げることができる。
前記ポリマーバインダーは、単独で使用してもよく、あるいは複数併用してもよい。
また、有機半導体材料と前記ポリマーバインダーとは均一に混合していてもよく、一部または全部が相分離していてもよいが、電荷移動度の観点では、膜中で膜厚方向に有機半導体とバインダーが相分離した構造が、バインダーが有機半導体の電荷移動を妨げず最も好ましい。
薄膜の機械的強度を考慮するとガラス転移温度の高いポリマーバインダーが好ましく、電荷移動度を考慮すると極性基を含まない構造のポリマーバインダーや光伝導性ポリマー、導電性ポリマーが好ましい。
ポリマーバインダーの使用量は、特に制限はないが、本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜中、好ましくは0〜95質量%の範囲内で用いられ、より好ましくは10〜90質量%の範囲内で用いられ、さらに好ましくは20〜80質量%の範囲内で用いられ、特に好ましくは30〜70質量%の範囲内で用いられる。
Examples of the polymer binder include insulating polymers such as polystyrene, polycarbonate, polyarylate, polyester, polyamide, polyimide, polyurethane, polysiloxane, polysulfone, polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, cellulose, polyethylene, and polypropylene, and co-polymers thereof. Examples thereof include a polymer, a photoconductive polymer such as polyvinyl carbazole and polysilane, a conductive polymer such as polythiophene, polypyrrole, polyaniline, and polyparaphenylene vinylene, and a semiconductor polymer.
The polymer binders may be used alone or in combination.
In addition, the organic semiconductor material and the polymer binder may be uniformly mixed, or a part or all of them may be phase-separated, but from the viewpoint of charge mobility, A structure in which the binder and the binder are phase-separated is most preferable because the binder does not hinder the charge transfer of the organic semiconductor.
In consideration of the mechanical strength of the thin film, a polymer binder having a high glass transition temperature is preferable, and in consideration of charge mobility, a polymer binder, a photoconductive polymer, or a conductive polymer having a structure containing no polar group is preferable.
Although there is no restriction | limiting in particular in the usage-amount of a polymer binder, Preferably it uses in the range of 0-95 mass% in the organic-semiconductor thin film for nonluminous organic-semiconductor devices of this invention, More preferably, it is 10-90 mass% Is more preferably used within a range of 20 to 80% by mass, and particularly preferably within a range of 30 to 70% by mass.
さらに、本発明では、化合物が上述した構造をとることにより、膜質の良い有機薄膜を得ることができる。具体的には、本発明で得られる化合物は、結晶性が良いため、十分な膜厚を得ることができ、得られた本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜は良質なものとなる。 Furthermore, in the present invention, an organic thin film with good film quality can be obtained by the compound having the structure described above. Specifically, since the compound obtained by the present invention has good crystallinity, a sufficient film thickness can be obtained, and the obtained organic semiconductor thin film for a non-luminescent organic semiconductor device of the present invention has a good quality. Become.
(成膜方法)
本発明の化合物を基板上に成膜する方法はいかなる方法でもよい。
成膜の際、基板を加熱または冷却してもよく、基板の温度を変化させることで膜質や膜中での分子のパッキングを制御することが可能である。基板の温度としては特に制限はないが、0℃から200℃の間であることが好ましく、15℃〜100℃の間であることがより好ましく、20℃〜95℃の間であることが特に好ましい。
本発明の化合物を基板上に成膜するとき、真空プロセスあるいは溶液プロセスにより成膜することが可能であり、いずれも好ましい。
(Film formation method)
Any method may be used for forming the compound of the present invention on the substrate.
During film formation, the substrate may be heated or cooled, and the film quality and molecular packing in the film can be controlled by changing the temperature of the substrate. Although there is no restriction | limiting in particular as temperature of a board | substrate, It is preferable that it is between 0 degreeC and 200 degreeC, It is more preferable that it is between 15 degreeC-100 degreeC, It is especially between 20 degreeC-95 degreeC. preferable.
When the compound of the present invention is formed on a substrate, it can be formed by a vacuum process or a solution process, both of which are preferable.
真空プロセスによる成膜の具体的な例としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、分子ビームエピタキシー(MBE)法などの物理気相成長法あるいはプラズマ重合などの化学気相蒸着(CVD)法が挙げられ、真空蒸着法を用いることが特に好ましい。 Specific examples of film formation by a vacuum process include physical vapor deposition methods such as vacuum deposition, sputtering, ion plating, molecular beam epitaxy (MBE), and chemical vapor deposition (CVD) such as plasma polymerization. ) Method, and it is particularly preferable to use a vacuum deposition method.
溶液プロセスによる成膜とは、ここでは有機化合物を溶解させることができる溶媒中に溶解させ、その溶液を用いて成膜する方法をさす。具体的には、キャスト法、ディップコート法、ダイコーター法、ロールコーター法、バーコーター法、スピンコート法などの塗布法、インクジェット法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、フレキソグラフィー印刷法、オフセット印刷法、マイクロコンタクト印刷法などの各種印刷法、Langmuir−Blodgett(LB)法などの通常の方法を用いることができ、キャスト法、スピンコート法、インクジェット法、グラビア印刷法、フレキソグラフィー印刷法、オフセット印刷法、マイクロコンタクト印刷法を用いることが特に好ましい。
本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜は、溶液塗布法により作製されたことが好ましい。また、本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜がポリマーバインダーを含有する場合、層を形成する材料とポリマーバインダーとを適当な溶媒に溶解させ、または分散させて塗布液とし、各種の塗布法により形成されることが好ましい。
以下、溶液プロセスによる成膜に用いることができる、本発明の非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液について説明する。
Here, film formation by a solution process refers to a method in which an organic compound is dissolved in a solvent that can be dissolved and a film is formed using the solution. Specifically, coating methods such as casting method, dip coating method, die coater method, roll coater method, bar coater method, spin coating method, ink jet method, screen printing method, gravure printing method, flexographic printing method, offset printing Various printing methods such as micro contact printing, micro contact printing, and ordinary methods such as Langmuir-Blodgett (LB) can be used. Casting, spin coating, ink jet, gravure printing, flexographic printing, offset It is particularly preferable to use a printing method or a microcontact printing method.
The organic semiconductor thin film for a non-luminescent organic semiconductor device of the present invention is preferably produced by a solution coating method. Further, when the organic semiconductor thin film for a non-light-emitting organic semiconductor device of the present invention contains a polymer binder, the material for forming the layer and the polymer binder are dissolved or dispersed in an appropriate solvent to form a coating solution. It is preferably formed by a coating method.
Hereinafter, the coating solution for non-light-emitting organic semiconductor devices of the present invention that can be used for film formation by a solution process will be described.
[非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液]
本発明は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含有する非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液にも関する。
溶液プロセスを用いて基板上に成膜する場合、層を形成する材料を適当な有機溶媒(例えば、ヘキサン、オクタン、デカン、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、デカリン、1−メチルナフタレンなどの炭化水素系溶媒、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン系溶媒、例えば、ジクロロメタン、クロロホルム、テトラクロロメタン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、クロロトルエンなどのハロゲン化炭化水素系溶媒、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミルなどのエステル系溶媒、例えば、メタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコールなどのアルコール系溶媒、例えば、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、アニソールなどのエーテル系溶媒、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、1−メチルー2−ピロリドン、1−メチルー2−イミダゾリジノン等のアミド・イミド系溶媒、ジメチルスルフォキサイドなどのスルホキシド系溶媒、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒)および/または水に溶解、または分散させて塗布液とし、各種の塗布法により薄膜を形成することができる。溶媒は単独で用いてもよく、複数組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、本発明の無置換のNH構造を有する化合物の溶媒としては、ケトン系溶媒、アルコール系溶媒、アミド・イミド系溶媒、スルホキシド系溶媒、ニトリル系溶媒等の極性溶媒、あるいは、炭化水素系溶媒、ハロゲン化炭化水素系溶媒またはエーテル系溶媒が好ましく、炭化水素系溶媒、ハロゲン化炭化水素系溶媒またはエーテル系溶媒がより好ましく、炭化水素系溶媒が特に好ましく、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、ジクロロベンゼンまたはアニソールがより特に好ましく、トルエン、キシレン、テトラリン、アニソールがさらにより特に好ましい。その塗布液中の一般式(1)で表される化合物の濃度は、好ましくは、0.1〜80質量%、より好ましくは0.1〜10質量%、特に好ましくは0.5〜10重量%とすることにより、任意の厚さの膜を形成できる。
[Coating solution for non-luminescent organic semiconductor devices]
The present invention also relates to a coating solution for a non-light-emitting organic semiconductor device containing the compound represented by the general formula (1), that is, the compound of the present invention.
When a film is formed on a substrate using a solution process, a material for forming the layer is selected from hydrocarbons such as hexane, octane, decane, toluene, xylene, mesitylene, ethylbenzene, decalin, and 1-methylnaphthalene. Solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, cyclohexanone and other ketone solvents such as dichloromethane, chloroform, tetrachloromethane, dichloroethane, trichloroethane, tetrachloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, chlorotoluene and the like Solvent, for example, ester solvent such as ethyl acetate, butyl acetate, amyl acetate, for example, methanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, cyclohexanol, methyl Alcohol solvents such as rosolve, ethyl cellosolve, ethylene glycol, for example, ether solvents such as dibutyl ether, tetrahydrofuran, dioxane, anisole, such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, 1-methyl-2- An amide / imide solvent such as pyrrolidone, 1-methyl-2-imidazolidinone, a sulfoxide solvent such as dimethyl sulfoxide, a nitrile solvent such as acetonitrile) and / or water is dissolved or dispersed into a coating solution. A thin film can be formed by various coating methods. A solvent may be used independently and may be used in combination of multiple. Among these, the solvent for the compound having an unsubstituted NH structure of the present invention includes polar solvents such as ketone solvents, alcohol solvents, amide / imide solvents, sulfoxide solvents, nitrile solvents, or hydrocarbons. Solvents, halogenated hydrocarbon solvents or ether solvents are preferred, hydrocarbon solvents, halogenated hydrocarbon solvents or ether solvents are more preferred, hydrocarbon solvents are particularly preferred, toluene, xylene, mesitylene, tetralin Dichlorobenzene or anisole is more particularly preferred, and toluene, xylene, tetralin and anisole are even more particularly preferred. The concentration of the compound represented by the general formula (1) in the coating solution is preferably 0.1 to 80% by weight, more preferably 0.1 to 10% by weight, and particularly preferably 0.5 to 10% by weight. By setting the ratio to%, a film having an arbitrary thickness can be formed.
溶液プロセスで成膜するためには、上記で挙げた溶媒などに材料が溶解することが必要であるが、単に溶解するだけでは不十分である。通常、真空プロセスで成膜する材料でも、溶媒にある程度溶解させることができる。しかし、溶液プロセスでは、材料を溶媒に溶解させて塗布した後で、溶媒が蒸発して薄膜が形成する過程があり、溶液プロセス成膜に適さない材料は結晶性が高いものが多いため、この過程で不適切に結晶化(凝集)してしまい良好な薄膜を形成させることが困難である。一般式(1)で表される化合物は、このような結晶化(凝集)が起こりにくい点でも優れている。 In order to form a film by a solution process, it is necessary that the material is dissolved in the above-described solvent or the like, but it is not sufficient to simply dissolve the material. Usually, even a material for forming a film by a vacuum process can be dissolved in a solvent to some extent. However, in the solution process, there is a process in which after the material is dissolved in a solvent and applied, the solvent evaporates to form a thin film, and many materials that are not suitable for solution process film formation have high crystallinity. It is difficult to form a good thin film due to inappropriate crystallization (aggregation) in the process. The compound represented by the general formula (1) is excellent in that crystallization (aggregation) hardly occurs.
本発明の非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含み、ポリマーバインダーを含有しない態様も好ましい。
また、本発明の非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物とポリマーバインダーを含有してもよい。この場合、層を形成する材料とポリマーバインダーとを前述の適当な溶媒に溶解させ、または分散させて塗布液とし、各種の塗布法により薄膜を形成することができる。ポリマーバインダーとしては、上述したものから選択することができる。
The coating solution for a non-light-emitting organic semiconductor device of the present invention is also preferably an embodiment containing the compound represented by the general formula (1), that is, the compound of the present invention and not containing a polymer binder.
Moreover, the coating solution for non-luminous organic semiconductor devices of this invention may contain the compound represented by the said General formula (1), ie, the compound of this invention, and a polymer binder. In this case, the material for forming the layer and the polymer binder can be dissolved or dispersed in the aforementioned appropriate solvent to form a coating solution, and a thin film can be formed by various coating methods. The polymer binder can be selected from those described above.
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。 The features of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below.
[実施例1〜5および比較例1〜3]
<合成例1> 化合物4の合成
以下のスキームに示した具体的合成手順にしたがって、一般式(1)で表される化合物である、化合物4を合成した。
<Synthesis Example 1> Synthesis of Compound 4 According to a specific synthesis procedure shown in the following scheme, Compound 4, which is a compound represented by the general formula (1), was synthesized.
(2,8−ジアミノクリセンM1の合成)
2,8−ジアミノクリセンM1はTetrahedron Letters 2004, 45, 4737−4739に記載の方法で合成を行った。
(中間体M2の合成)
ジアミノクリセンM1(2.3g)をクロロホルム(90ml)に溶解、攪拌しているところに室温で臭素(0.96ml)を5分かけて滴下した。滴下終了後、室温で2時間攪拌を続けた。亜硫酸水素ナトリウム水溶液25mlを反応液に滴下してクエンチした後、2N炭酸カリウムで水層のpHを9にした。吸引ろ過により析出をろ取し、100℃で乾燥をおこなうことにより中間体M2(3.5g、収率93%)を得た。
(中間体M3の合成)
中間体M2(3.5g)を脱水ビリジン30mlに溶解させ、氷浴で0℃に冷却しているところにトシルクロライド(4.9g)を10分かけて分割添加した。添加後に氷浴を外し、室温で5時間攪拌を行った。反応液を水に注いで、析出物をろ取し、メタノール中で超音波洗浄することにより中間体M3(6.1g、収率100%)を得た。Tsはトシル基(パラトルエンスルホニル基)を表す。
(中間体M4の合成)
中間体M3(6.1g)、ビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)ジクロライド(1.0g)、ヨウ化銅(0.54g)、1−デシン(6.1ml)、ジイソプロピルアミン(12ml)、脱水DMF30mlを混合、脱気したのち、外温110℃で4時間攪拌を行った。反応終了をTLCにて確認後、反応液をセライトろ過し、ろ液に酢酸エチルと5%希塩酸を加えて抽出を行った。有機層を無水硫酸マグネシウムにより乾燥、ろ過し、酢酸エチルを減圧留去した。残渣をメタノールにて超音波洗浄することにより中間体M4(4.6g、収率65%)を得た。
(化合物4の合成)
中間体M4(4.6g)にテトラブチルアンモニウムフルオライド(1M THF溶液)を40ml加え3時間還流、攪拌した。反応液を室温まで冷却した後に、酢酸エチルと5%希塩酸を加えて抽出を行った。有機層を無水硫酸マグネシウムにより乾燥、ろ過し、有機層を減圧留去した。残渣を分取GPC(展開溶媒THF)にて精製することにより、化合物4(0.83g、収率18%)を得た。
なお、得られた化合物の同定は元素分析、NMR及びMSスペクトルにより行った。
(Synthesis of 2,8-diaminochrysene M1)
2,8-Diaminochrysene M1 was synthesized by the method described in Tetrahedron Letters 2004, 45, 4737-4739.
(Synthesis of Intermediate M2)
Diaminochrysene M1 (2.3 g) was dissolved in chloroform (90 ml), and bromine (0.96 ml) was added dropwise over 5 minutes at room temperature while stirring. After completion of the dropwise addition, stirring was continued at room temperature for 2 hours. After quenching by adding 25 ml of an aqueous sodium hydrogen sulfite solution dropwise to the reaction solution, the pH of the aqueous layer was adjusted to 9 with 2N potassium carbonate. The precipitate was collected by suction filtration and dried at 100 ° C. to obtain Intermediate M2 (3.5 g, yield 93%).
(Synthesis of Intermediate M3)
Intermediate M2 (3.5 g) was dissolved in 30 ml of dehydrated viridine, and tosyl chloride (4.9 g) was added in portions over 10 minutes while cooling to 0 ° C. with an ice bath. The ice bath was removed after the addition, and the mixture was stirred at room temperature for 5 hours. The reaction solution was poured into water, and the precipitate was collected by filtration and ultrasonically washed in methanol to obtain Intermediate M3 (6.1 g, yield 100%). Ts represents a tosyl group (paratoluenesulfonyl group).
(Synthesis of Intermediate M4)
Intermediate M3 (6.1 g), bis (triphenylphosphine) palladium (II) dichloride (1.0 g), copper iodide (0.54 g), 1-decyne (6.1 ml), diisopropylamine (12 ml), After mixing and degassing 30 ml of dehydrated DMF, the mixture was stirred at an external temperature of 110 ° C. for 4 hours. After confirming the completion of the reaction by TLC, the reaction solution was filtered through Celite, and the filtrate was extracted with ethyl acetate and 5% dilute hydrochloric acid. The organic layer was dried over anhydrous magnesium sulfate and filtered, and ethyl acetate was distilled off under reduced pressure. The residue was ultrasonically washed with methanol to obtain Intermediate M4 (4.6 g, yield 65%).
(Synthesis of Compound 4)
40 ml of tetrabutylammonium fluoride (1M THF solution) was added to intermediate M4 (4.6 g), and the mixture was refluxed and stirred for 3 hours. The reaction solution was cooled to room temperature, and extracted by adding ethyl acetate and 5% dilute hydrochloric acid. The organic layer was dried over anhydrous magnesium sulfate and filtered, and the organic layer was distilled off under reduced pressure. The residue was purified by preparative GPC (developing solvent THF) to obtain Compound 4 (0.83 g, yield 18%).
The obtained compound was identified by elemental analysis, NMR and MS spectrum.
他の実施例に用いた一般式(1)で表される化合物も、化合物4と同様にして合成した。 The compounds represented by the general formula (1) used in other examples were also synthesized in the same manner as the compound 4.
比較素子の半導体活性層(有機半導体層)に用いた比較化合物1を、化合物4を水素化ナトリウムとヨウ化メチルを用いてメチル化することにより合成した。比較化合物2および3についても用いる材料を変更した以外は同様の方法にしたがって合成した。
比較化合物1〜3の構造を以下に示す。
The structures of Comparative Compounds 1 to 3 are shown below.
<素子作製・評価>
素子作製に用いた材料は全て昇華精製を行い、高速液体クロマトグラフィー(東ソーTSKgel ODS−100Z)により純度(254nmの吸収強度面積比)が99.5%以上であることを確認した。
<Device fabrication and evaluation>
All materials used for device fabrication were subjected to sublimation purification, and it was confirmed by high performance liquid chromatography (Tosoh TSKgel ODS-100Z) that the purity (absorption intensity area ratio at 254 nm) was 99.5% or more.
<化合物単独で半導体活性層(有機半導体層)を形成>
本発明の各化合物または比較化合物(各1mg)とトルエン(1mL)を混合し、100℃に加熱したものを、非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液とした。この塗布溶液を窒素雰囲気下、90℃に加熱したFET特性測定用基板上にキャストすることで、非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜を形成し、FET特性測定用の実施例2の有機薄膜トランジスタ素子を得た。FET特性測定用基板としては、ソースおよびドレイン電極としてくし型に配置されたクロム/金(ゲート幅W=100mm、ゲート長L=100μm)、絶縁膜としてSiO2(膜厚200nm)を備えたボトムゲート・ボトムコンタクト構造のシリコン基板(図2に構造の概略図を示した)を用いた。
<Forming a semiconductor active layer (organic semiconductor layer) with a compound alone>
Each of the compounds of the present invention or the comparative compound (each 1 mg) and toluene (1 mL) were mixed and heated to 100 ° C. to obtain a coating solution for a non-luminescent organic semiconductor device. This coating solution is cast on an FET characteristic measurement substrate heated to 90 ° C. in a nitrogen atmosphere to form an organic semiconductor thin film for a non-light-emitting organic semiconductor device, and the organic thin film transistor of Example 2 for FET characteristic measurement An element was obtained. As a substrate for FET characteristic measurement, a bottom provided with chromium / gold (gate width W = 100 mm, gate length L = 100 μm) disposed in a comb shape as source and drain electrodes, and SiO 2 (film thickness 200 nm) as an insulating film. A silicon substrate having a gate / bottom contact structure (a schematic diagram of the structure is shown in FIG. 2) was used.
[評価]
(a)キャリア移動度、(b)閾値電圧
各実施例および比較例の有機薄膜トランジスタ素子のFET特性は、セミオートプローバー(ベクターセミコン製、AX−2000)を接続した半導体パラメーターアナライザー(Agilent製、4156C)を用いて常圧・窒素雰囲気下で、キャリア移動度、閾値電圧の観点で評価した。
各有機薄膜トランジスタ素子(FET素子)のソース電極−ドレイン電極間に−80Vの電圧を印加し、ゲート電圧を20V〜−100Vの範囲で変化させ、閾値電圧を求めた。また、ドレイン電流Idを表わす式Id=(w/2L)μCi(Vg−Vth)2(式中、Lはゲート長、Wはゲート幅、Ciは絶縁層の単位面積当たりの容量、Vgはゲート電圧、Vthは閾値電圧)を用いてキャリア移動度μを算出した。
得られた結果を下記表1に示す。
なお、閾値電圧の絶対値が小さいほど、素子の駆動電圧が低くなり、好ましい。
[Evaluation]
(A) Carrier mobility, (b) threshold voltage The FET characteristics of the organic thin film transistor elements of the examples and comparative examples are as follows. Semiconductor parameter analyzer (Agilent, 4156C) connected to a semi-auto prober (Vector Semicon, AX-2000) Was evaluated in terms of carrier mobility and threshold voltage under normal pressure and nitrogen atmosphere.
A voltage of −80 V was applied between the source electrode and the drain electrode of each organic thin film transistor element (FET element), the gate voltage was changed in the range of 20 V to −100 V, and the threshold voltage was obtained. Also, the expression I d = (w / 2L) μC i (V g −V th ) 2 representing the drain current I d (where L is the gate length, W is the gate width, and C i is the unit area of the insulating layer) The carrier mobility μ was calculated using the capacitance of V, V g as the gate voltage, and V th as the threshold voltage.
The obtained results are shown in Table 1 below.
Note that the smaller the absolute value of the threshold voltage, the lower the drive voltage of the element, which is preferable.
(c)溶解性
本発明の化合物または比較化合物(各2質量%、各1質量%または各0.1質量%)とトルエン(1mL)を混合し、100℃に加熱後、室温にて30分放置し、析出無しとなる濃度を求め、トルエンに対する溶解性を以下の4段階で評価した。実用上、AA、AまたはB評価であることが必要であり、AAまたはA評価であることが好ましく、AA評価であることがより好ましい。
AA:2質量%で析出無し。
A:1質量%で析出無し、かつ、2質量%で析出あり。
B:0.1質量%で析出無し、かつ、1質量%で析出あり。
C:0.1質量%で析出あり。
(C) Solubility The compound of the present invention or the comparative compound (each 2% by mass, each 1% by mass or each 0.1% by mass) and toluene (1 mL) are mixed, heated to 100 ° C., and then at room temperature for 30 minutes. The concentration at which no precipitation was observed was determined, and the solubility in toluene was evaluated in the following four stages. Practically, AA, A or B evaluation is required, AA or A evaluation is preferable, and AA evaluation is more preferable.
AA: No precipitation at 2% by mass.
A: No precipitation at 1% by mass, and precipitation at 2% by mass.
B: No precipitation at 0.1% by mass, and precipitation at 1% by mass.
C: Precipitation occurs at 0.1% by mass.
(d)膜質(ドメインサイズ)
実施例2の有機薄膜トランジスタ素子の半導体活性層について、偏光顕微鏡を用いてドメインサイズを1mm四方の範囲で測定し、平均ドメインサイズを計算した。得られた結果を以下の3段階で評価した。実用上、C評価であっても問題はないが、AまたはB評価であることが好ましく、A評価であることがより好ましい。
A:平均ドメインサイズが30マイクロメートル超える。
B:平均ドメインサイズが5マイクロメートルを超え、かつ、30マイクロメートル以下である。
C:平均ドメインサイズが5マイクロメートル以下である。
(D) Film quality (domain size)
About the semiconductor active layer of the organic thin-film transistor element of Example 2, the domain size was measured in the range of 1 mm square using a polarizing microscope, and the average domain size was calculated. The obtained results were evaluated in the following three stages. In practice, there is no problem even with C evaluation, but A or B evaluation is preferable, and A evaluation is more preferable.
A: The average domain size exceeds 30 micrometers.
B: The average domain size exceeds 5 micrometers and is 30 micrometers or less.
C: The average domain size is 5 micrometers or less.
(e)耐熱性
以下の条件で実施例2の有機薄膜トランジスタ素子を加熱したときに、移動度が低下するかについて検討した。得られた結果を以下の3段階で評価した。実用上、C評価であっても問題はないが、AまたはB評価であることが好ましく、A評価であることがより好ましい。
A:150℃、10分加熱で変化なし。
B:100℃、10分加熱で変化なしだが、150℃、10分加熱で低下あり。
C:100℃、10分加熱で低下あり。
(E) Heat resistance When the organic thin-film transistor element of Example 2 was heated on the following conditions, it was examined whether mobility would fall. The obtained results were evaluated in the following three stages. In practice, there is no problem even with C evaluation, but A or B evaluation is preferable, and A evaluation is more preferable.
A: No change after heating at 150 ° C. for 10 minutes.
B: No change when heated at 100 ° C. for 10 minutes, but decreased at 150 ° C. for 10 minutes.
C: Decrease in heating at 100 ° C. for 10 minutes.
上記表1より、本発明の化合物は有機溶媒への溶解性が良好であり、本発明の化合物を用いた有機薄膜トランジスタ素子は、キャリア移動度が高く、駆動電圧が低いことがわかった。そのため、本発明の化合物は非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料として好ましく用いられることがわかった。なお、前記一般式(1)のR23およびR24に相当する位置の置換基の炭素数の合計が好ましい範囲の上限値から外れる化合物14−2を用いた有機薄膜トランジスタは、キャリア移動度が少し低く、駆動電圧が少し高い値であったが、実用上問題ないものであった。
一方、前記一般式(1)の窒素原子にアルキル基が導入された比較化合物1〜3を用いた有機薄膜トランジスタ素子は、キャリア移動度が低く、駆動電圧が高いものであった。さらに比較化合物2は有機溶媒への溶解性も低かった。
なお、本発明の化合物を用いた有機薄膜トランジスタ素子は半導体活性層の膜質が良好であり、素子耐熱性も良好であった。
From Table 1 above, it was found that the compound of the present invention has good solubility in an organic solvent, and the organic thin film transistor element using the compound of the present invention has high carrier mobility and low driving voltage. Therefore, it turned out that the compound of this invention is preferably used as an organic-semiconductor material for nonluminous organic-semiconductor devices. In addition, the organic thin film transistor using the compound 14-2 in which the total number of carbon atoms of the substituents at the positions corresponding to R 23 and R 24 in the general formula (1) deviates from the upper limit value of the preferable range has a little carrier mobility. Although it was low and the driving voltage was a little high, there was no practical problem.
On the other hand, the organic thin film transistor element using Comparative Compounds 1 to 3 in which an alkyl group was introduced into the nitrogen atom of the general formula (1) had a low carrier mobility and a high driving voltage. Furthermore, the comparative compound 2 had low solubility in an organic solvent.
In addition, the organic thin-film transistor element using the compound of this invention had favorable film quality of the semiconductor active layer, and its element heat resistance was also favorable.
11 基板
12 電極
13 絶縁体層
14 半導体活性層(有機物層、有機半導体層)
15a、15b 電極
31 基板
32 電極
33 絶縁体層
34a、34b 電極
35 半導体活性層(有機物層、有機半導体層)
11
15a,
Claims (25)
一般式(1)
R23およびR24はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、R23およびR24のうち少なくとも1つは下記一般式(W)で表される置換基である。)
−S−L−T 一般式(W)
(一般式(W)においてSは−(CRS 2)n−を表す(RSはそれぞれ独立に水素原子またはハロゲン原子を表し、nは0〜17の整数を表す)。Lは下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基または下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表す。Tは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが1以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が1以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のシリル基を表す。ただし、Tが置換または無置換のシリル基を表すのは、Tに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
General formula (1)
R 23 and R 24 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and at least one of R 23 and R 24 is a substituent represented by the following general formula (W). )
-SLT General Formula (W)
(In the general formula (W), S represents — (CR S 2 ) n — (R S independently represents a hydrogen atom or a halogen atom, and n represents an integer of 0 to 17.) L represents the following general formula. A divalent linking group represented by any one of (L-1) to (L-15) or a divalent linking group represented by any one of the following general formulas (L-1) to (L-15) Represents a divalent linking group in which two or more are bonded, T is a substituted or unsubstituted alkyl group, an oligooxyethylene group having a repeating number v of oxyethylene units of 1 or more, and an oligosiloxane group having 1 or more silicon atoms Or a substituted or unsubstituted silyl group, wherein T represents a substituted or unsubstituted silyl group because L adjacent to T is represented by the following general formula (L-3) (Only when it is a linking group.)
一般式(2)
General formula (2)
一般式(1)
R23およびR24はそれぞれ独立に水素原子または置換基を表し、R23およびR24のうち少なくとも1つは下記一般式(W)で表される置換基である。)
−S−L−T 一般式(W)
(一般式(W)においてSは−(CRS 2)n−を表す(RSはそれぞれ独立に水素原子またはハロゲン原子を表し、nは0〜17の整数を表す)。Lは下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基または下記一般式(L−1)〜(L−15)のいずれかで表される2価の連結基が2つ以上結合した2価の連結基を表す。Tは置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数vが1以上のオリゴオキシエチレン基、ケイ素原子数が1以上のオリゴシロキサン基、あるいは、置換または無置換のシリル基を表す。ただし、Tが置換または無置換のシリル基を表すのは、Tに隣接するLが下記一般式(L−3)で表される2価の連結基である場合に限る。)
General formula (1)
R 23 and R 24 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and at least one of R 23 and R 24 is a substituent represented by the following general formula (W). )
-SLT General Formula (W)
(In the general formula (W), S represents — (CR S 2 ) n — (R S independently represents a hydrogen atom or a halogen atom, and n represents an integer of 0 to 17.) L represents the following general formula. A divalent linking group represented by any one of (L-1) to (L-15) or a divalent linking group represented by any one of the following general formulas (L-1) to (L-15) Represents a divalent linking group in which two or more are bonded, T is a substituted or unsubstituted alkyl group, an oligooxyethylene group having a repeating number v of oxyethylene units of 1 or more, and an oligosiloxane group having 1 or more silicon atoms Or a substituted or unsubstituted silyl group, wherein T represents a substituted or unsubstituted silyl group because L adjacent to T is represented by the following general formula (L-3) (Only when it is a linking group.)
一般式(2)
General formula (2)
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