JP6445544B2 - Ib−vii二元化合物に基づく発光ハイブリッド半導体 - Google Patents
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Description
MX(L)n
ただし、Mは、IB族遷移金属イオンであり、
Xは、ハロゲン化イオンであり、
Lは、有機ヘテロ芳香族リガンドであり、ただし、少なくとも1つの環原子はN、OまたはSから選択され、Mに配位されるヘテロ原子であり、nは、0.5、1、2または3である。
MはCu、XはBrまたはIであり、Lは任意に置換されるヘテロ芳香族である多くの新たなMX(L)nの無機−有機ハイブリッド材料が、様々な合成方法によって設計および合成された。それらの結晶構造が判断され、熱安定性が分析された。1D−MX(L)のハイブリッド構造は、体系的に調整可能な光吸収および光出力特性を示す。適切な1D−CuX(L)構造におけるリガンドの混合は、高強度で高品位な白色発光を発生させる。本発明は、CIE座標およびCRIについて(0.31、0.33)および87.4をそれぞれ達成した。
実施例1 1D−CuI(ピリジン)
1D−CuI(py)の単結晶は、飽和ヨウ化カリウム溶液(2mL)のCuI(0.190g、1mmol)溶液を、アセトン(2mL)のピリジン(0.079g、1mmol)溶液に加えることにより成長された。アセトニトリル(2mL)が、結晶成長を助けるために上記の2つの溶液間の中間層として使用された。混合物は、溶液中に室温で一晩放置され、無色の結晶が生成された。
飽和ヨウ化カリウム溶液(2mL)のCuI(0.190g、1mmol)溶液が、アセトン(2mL)の2,6−ジメチルピラジン(0.108g、1mmol)溶液に加えられた。アセトニトリル(2mL)が、結晶成長を助けるために上記の2つの溶液間の中間層として使用された。混合物は、室温で一晩放置され、濾過後に黄色の結晶が結果物として収集された。
1D−CuI(5−Br−pm)の単結晶は、溶液拡散法から得られ、飽和ヨウ化カリウム溶液(2mL)のCuI(0.190g、1mmol)溶液が、アセトン(2mL)の5−ブロモピリミジン(0.159g、1mmol)溶液に加えられた。2mlのアセトニトリルが、結晶成長を助けるために上記の2つの溶液間の中間層として使用された。混合物は、室温で一晩放置され、濾過後に1D−CuI(5−Br−pm)の無色の結晶が結果物として収集された。
飽和ヨウ化カリウム溶液(2mL)のCuI(0.190g、1mmol)溶液が、アセトン(2mL)の3−ヨードピリジン(0.205g、1mmol)溶液に加えられた。アセトニトリル(2mL)が、中間層として使用された。混合物は、室温で一晩放置され、濾過後に無色の結晶が結果物として収集された。1D−CuI(2,6−(CH3)2−pz)および1D−CuI(5−Br−pm)に類似して、1D−CuI(3−I−py)(3−I−py=3−ヨードピリジン)のCu2I2のはしご状のチェーンにおける全てのCu(I)原子は、ヨウ化物に3重に配位され、全てのヨウ化物原子は、2.6344(6)から2.6711(7)Åまで変化するCu−Iの距離を与える3つの銅原子に橋渡しする(図6)。Cu2I2のはしご状のチェーンは、Cu−I結合を介した2つのCuIのジグザグのシングルチェーンの結合により形成されるリボンと考えることもできる。
飽和ヨウ化カリウム溶液(2mL)のCuI(0.190g、1mmol)溶液が、2mLのアセトニトリルおよびアセトン(2mL)の4−アミノ−5−ヨードピリジン(0.220g、1mmol)溶液に加えられた。混合物は、室温で一晩放置され、濾過後に黄色の結晶が結果物として収集された。
1D−CuI(3−Br−py)の粉末サンプルの純粋な相は、CuI(0.019g、0.1mmol)、3−ブロモピリジン(0.016g、0.1mmol)および3mLのアセトニトリルの混合物から得られた。混合物を一晩放置した後、1D−CuI(3−Br−py)の純粋な白色の粉末が溶液から沈殿して収集された。
1D−CuI(py)1−x(pm)xの粉末サンプルは、3mlのアセトン中のピリジン(0.128g、1.6mmol)およびピリミジン(0.008g、0.1mmol)を、2mlの飽和ヨウ化カリウム溶液のCuI(0.19g、1mmol)溶液に一滴ずつ加えることによって得られた。1D−CuI(py)1−x(pm)xの純粋な白色の粉末は、即時に溶液から沈殿した。
1D−CuI(py)1−x(pm)xの粉末の複数のサンプルは、3mlのアセトン中のピリジン(0.128g、1.6mmol)およびピリミジン(0.008g、0.1mmol)を、2mlの飽和ヨウ化カリウム溶液のCuI(0.19g、1mmol)溶液に一滴ずつ加えることによって得られた。1D−CuI(py)1−x(pm)xの純粋な白色の粉末は、即時に溶液から沈殿した。
2D−CuI(pm)0.5の単結晶は、飽和ヨウ化カリウム溶液(2mL)のCuI(0.190g、1mmol)溶液と、アセトン(2mL)のピリミジン(0.040g、0.5mmol)溶液を混合することによって得られた。アセトニトリル(2mL)が、中間層として使用された。混合物は、溶液中に室温で一晩放置された。そして、無色の結晶が収集された。2D−CuI(pm)0.5の構造(図8参照)は、2つのN原子を介して、ピリミジン(pm)リガンドによって相互接続される1次元の(1D)CuIのチェーンから構成される(図8)1Dのチェーンは、1D−CuI(py)の構造におけるものとよく近似する。
実施例10 1D−CuBr(py)
ソルボサーマル法:ピリジン(70uL、1.0mmol)が、3.0Mの臭化カリウム(2.0ml)のCuBr(0.144g、1.0mmol)溶液に加えられた。その後、混合物は、3日間80℃の酸分解法ボンベに移された。洗浄および濾過後に、無色の針状の結晶が収集された。Cuに基づく収率は、87.4%である。
上記の類似する合成手順は、L=pm、pz、4−Cl−py、3−Br−py、3−I−py、4−NH2−py、2−Br−pm、3−CH3−py(3−ピコリン)および4−CH3−py(4−ピコリン)を含む他の多くのCuBr(L)ハイブリッド構造を調製するために適用された。
ピラジン(pz)ドープCuBr(py)の結晶は、拡散法を介したCuBr(py)の合成においてごく少量(0.1%より少ない)のpzを使用することによって合成される。1.0mg/mLのピラジンの溶液が、ストック溶液として調製された。エタノール中のピリジンを伴う計算された量のストック溶液が、CuBrおよびKBrの溶液に加えられた。アセトニトリルが、中間層として使用された。混合物は3日間室温で放置され、中間層において結晶が形成された。
0.191g(1.0mmol)のCuIの粉末が、最初に2mlの飽和ヨウ化カリウム溶液に溶解された。過剰な3,5−dmpy(5mmol)が、エタノール溶液に溶解された。そして、リンカー溶液が、撹拌されるガラスバイアル中のCuI/KI溶液に一滴ずつ加えられ、白色の沈殿物が生成された。生成物は、濾過およびエタノールによる洗浄によって収集された。白色の粉末は、紫外線のもとで黄色を発する。
2D−CuI(2−et−3−me−pz)0.5の単結晶は、緩やかな拡散法によって得られた。2−エチル−3−メチル−pz(1mmol)/CH2Cl2溶液が、ガラスバイアル中のCuI(1mmol)/飽和KI溶液にゆっくり加えられた。反応は平静に放置された。黄色の結晶が、1週間以内に形成された。
2D−Cu2I2(5−Br−pm)2の単結晶は、緩やかな拡散法によって得られた。5−Br−pm(1mmol)/CH2Cl2溶液が、ガラスバイアル中のCuI(1mmol)/アセトニトリル溶液にゆっくり加えられた。混合後、沈殿物は観察されなかった。その後、反応混合物は、室温で平静に保たれた。赤色の棒状の結晶が、1週間以内に形成された。純粋な相のサンプルは、5−Br−pm(1mmol)/CH2Cl2溶液を、CuI(1mmol)/アセトニトリル溶液に撹拌しつつ混合することによって調製された。最初は黄色の沈殿物が形成され、数時間後に赤色に変化した。反応生成物は、24時間の撹拌の後、収集された。
2D−Cu2I2(bpe)2のための合成方法は、「Yang et al.,Inorg.Chem.Commun.,14,1537(2011)」において報告された方法から修正された。CuCl2および高温を使用するかわりに、低温で撹拌する方法が適用された。まず、過剰なbpeリガンドがCH2Cl2に溶解され、その後、マグネチック撹拌のもとCuI/アセトニトリル溶液が加えられた。沈殿物が形成された時に、CuI/アセトニトリル溶液を加えることをやめた。CuI/アセトニトリル溶液をさらに加えることは、他の種類の構造の形成につながる。生成物は、遠心分離機によって収集され、減圧のもと乾燥された。
2D−Cu2I2(bpp)2の純粋な相のサンプルは、「Niu et al.,Eur.J.Inorg.Chem.,2259(2006)」において、報告される方法に基づく修正された方法によって得られた。まず、過剰なbppリガンドが、マグネチック撹拌のもとでCH2Cl2に溶解され、沈殿物が形成されるまで、希釈されたCuI/アセトニトリル溶液が一滴ずつ加えられた。生成物は、濾過によって収集され、減圧のもと一晩乾燥された。
結晶成長方法は、「Muthu et al.,J.Inorg.Chim.Acta.,358,595(2005)」において報告された。過剰なdpsリガンドが、マグネチック撹拌のもとでCH2Cl2に溶解された。そして、CuI/アセトニトリル溶液が、一滴ずつ加えられた。沈殿物は、即時に形成された。沈殿物は、濾過によって収集され、減圧のもと乾燥された。
0D−Cu2Br2(3,5−dmpy)4ダイマーの単結晶は、緩やかな拡散法によって得られた。3,5−dmpyが、CuI/アセトニトリル溶液にゆっくり加えられた。無色の結晶が、混合後に形成された。純粋な相のサンプルは、過剰な3,5−ジメチル−py(4mmol)/CH2Cl2溶液をCuI(1mmol)/アセトニトリル溶液に混合することによって合成された。白色の結晶が、混合後に形成され、濾過によって収集された。
0D−CuBr(3−pcpc)3の単結晶は、緩やかな拡散法によって成長された。3−pcは、CuI/アセトニトリル溶液にゆっくり加えられた。無色の結晶が、混合後に検出された。純粋な相のサンプルは、3−pcをCuI/アセトニトリル溶液に直接加えることによって得られた。沈殿物は、加えた後すぐに形成され、濾過によって収集された。
1D−CuBr(3,5−dmpy)の単結晶は、階層化された方法によって得られた。反応は、ガラスバイアルにおいて行われた。下部、中間、上部の層はそれぞれ、CuBr/飽和溶液、アセトニトリル、および3,5−dmpy/エタノール溶液であった。結晶は、中間の層において、形成された。純粋な相の粉末サンプルは、CuBr(1mmol)/アセトニトリル溶液を、3,5−dmpy(1mmol)/CH2Cl2溶液に混合することによって得られた。白色の粉末は、撹拌後すぐに形成された。生成物は、濾過によって収集され、減圧乾燥器において乾燥された。
階層化の方法が、1D−CuBr(3−Br−py)の単結晶を成長させるために使用された。反応は、ガラスバイアルにおいて行われた。CuBr/飽和溶液、アセトニトリル、および3,5−dmpy/エタノール溶液は、下部、中間、上部の層をそれぞれ構成した。結晶は、中間の層において、形成された。純粋な相のサンプルは、CuBr(1mmol)/アセトニトリル溶液を3−Br−ピリジン(1mmol)/CH2Cl2溶液に混合することによって得られた。白色の粉末は、撹拌後すぐに形成された。生成物は、濾過によって収集され、減圧乾燥器において乾燥された。
上部の層が3−Cl−ピリジン/エタノール溶液によって置換される点を除いて、実施例22の方法が、1D−CuBr(3−Cl−py)の結晶を合成するために使用された。純粋な相のサンプルが、CuBr(1mmol)/アセトニトリル溶液を、3−Cl−ピリジン(1mmol)/CH2Cl2溶液に混合することによって得られた。白色の粉末が、撹拌後すぐに形成された。生成物は、濾過によって収集され、減圧乾燥器において乾燥された。
10−4Mのpzエタノール溶液が、ストップ溶液として調製された。単結晶が、試験管またはガラスバイアルにおいて、階層化された方法によって得られた。下部の層は、CuBr/飽和KIの溶液であった。中間の層は、アセトニトリルであった。上部の層は、リガンド/エタノール溶液であった。リガンド/エタノール溶液は、pzのストック溶液とpyとを0%から1.0%までの様々なモル比において混合することによって得られた。純粋な相の粉末サンプルは、室温で、撹拌のもと、リガンド溶液とCuBr/飽和溶液を直接に混合することによって得られた。生成物は、濾過によって収集され、減圧乾燥器において乾燥された。表3は、さまざまなドーピングレベルのPL特性を示す。
2D−Cu2Br2(5−Br−pm)2の合成は、2D−Cu2I2(5−Br−pm)2の合成と同様である。単結晶は、緩やかな拡散法によって得られた。5−Br−pm(1mmol)/CH2Cl2溶液は、ガラスバイアルのCuBr(1mmol)/アセトニトリル溶液にゆっくり加えられた。反応混合物は、室温で平静に保たれた。赤色の棒状の結晶は、1週間以内に形成された。純粋な相の粉末サンプルは、撹拌のもと、5−Br−pm(1mmol)/CH2Cl2溶液とCuBr(1mmol)/アセトニトリル溶液を混合することにより調製された。黄色の沈殿物がすぐに観察され、数時間後に赤色に変化した。反応生成物は、24時間の撹拌の後、収集された。
下記の化合物の合成は、報告された方法によって調製された:
0D−Cu2I2(3,5−dmpy)4、「Dyason et al.;Aust J Chem, 37, 2201 (1984)」
0D−Cu2I2(3−pc)4、「Rath et al.,J.Chem.Soc.Dalton,2449(1986)」
0D−Cu4I4(3−pc)4,「Cariati et al.,Chem.Mater.,12,3385(2000)」
0D−Cu4I4(4−phpy)4,Hu et al.,Dalton T.,1165(2005)」
2D−CuI(pm)0.5,「Blake et al.,Crystal Engineering,2,181(1999)」
2D−CuI(2,3−dmpz)0.5,「Jess et al.,Dalton T.,2263(2007)」
2D−CuI(pz)0.5,「Blake et al.,Crystal Engineering,2,181(1999)」
2D−CuI(4,4’−bpy)0.5,「Nather, et al.,Z Naturforsch B,56,997(2001)」
2D−Cu2I2(4,4’−bpy)2,「Blake et al.,Crystal Engineering,2,181(1999)」
1D−CuBr(py),Graham et al.,Inorg.Chem.,39,5121(2000)」
2D−CuBr(pm)0.5,「Nather et al,.Z.Anorg.Allg.Chem.,629,2144(2003)」
2D−CuBr(2,3−dmpz)0.5,「Graham et al., Inorg. Chem., 39, 5121 (2000)」
2D−CuBr(pz)0.5,「Graham et al.,Inorg.Chem.,39,5121(2000)」
2D−CuBr(4,4’−bpy)0.5,「Lu et al.,J.Inorg.Chem.,38,4608(1999)」
2D−Cu2Br2(bpe)2,「Hu et al.,Cryst.Growth.Des.,6,2543(2006)」
2D−Cu2Br2(bpp)2,「Hu et al.,Cryst.Growth.Des.,6,2543(2006)」
2D−Cu2Br2(dps)2,「Zhang et al.,Inorg.Chem.Commun.,11,164(2008)」
2D−Cu2Br2(4,4’−bpy)2,Lu et al.,J.Inorg.Chem.,38,4608(1999)」。
A.1D−CuI(L)
1D−CuI(L)の構造の光学吸収特性が試験され、親構造のα−CuIの光学吸収特性と比較された。結果は、表4に概説される。同じ1Dのチェーンの無機モジュールを有し、単に有機リガンドを変えることによって、ハイブリッド構造のバンドギャップは、2.2から3.2eVまで体系的に調整されうる。全ての化合物がバンドギャップエミッションを示すため、異なる色の範囲が結果として示された(表4)。
光学吸収スペクトルは、CuBr(L)サンプルにおいて収集された。結果は、表5に概説される。
青色光(450nm)まで励起されうる4つの黄色を発する蛍光体が、バンドギャップ、励起およびエミッション波長、量子収率および分解温度とともに表6に示される。
大部分の1D−CuI(L)無機−有機ハイブリッド化合物は、発光性を有する。一般に、3−ブロモピリジンおよび5−ブロモピリミジンのようなブロモ基を伴うリガンドから形成される構造は、広い発光を示す。CuI(3−Br−py)およびCuI(5−Br−pm)は、可視光の範囲(400−700のnm、図1)の300nmのうち250nmより大きく間をあけた2つのピークを示す。CIE座標はそれぞれ、CuI(Br−py)が(0.26、0.35)であり、CuI(5−Br−pm)が(0.36、0.41)である(図1)。この結果は、これらの2つの化合物の発する色は、すでに白色の範囲にあることを示す。この化合物の量子収率は、約17%である。
1D−CuBr(py)をピラジンでドープすることによって、CuI(L)系において観察されたものと同様に白色光の発光が実現された。ドープされたサンプル(ピリジンに対するピラジンのモル比が〜0.05%、0.07%および0.09%)は、無色からやや黄色への明らかな変色を有するが、それらのPXRDパターンおよび光学吸収スペクトルは、ドープされていないCuBr(py)の親構造と同じままである。0.05%および0.07%のドーパントを有するサンプルの両方は、強度の高いバランスのとれた白色光の発光を示す。ドープされたCuBr(py)は、それらのCuI(py)の類似体と比較して、非常に強い発光を示す。0.07%ドープされたサンプルのCIE座標、色調指数(CRI)および相関色温度はそれぞれ、(0.30、0.42)、68.5および4922Kである。
いくつかの結晶構造が、単結晶回折によって解析され、データは表7に示される。2D−Cu2I2(5−Br−pm)2および2D−Cu2Br2(5−Br−pm)2は、5−Br−pmによって、相互に接続されたCu2I2(Cu2Br2)のダイマーに形成される2Dの構造である。各々のCuは、2つの窒素および2つのI(Br)原子と配位され、2Dのネットワークを形成する。0D−Cu2Br2(3,5−d)4は、3,5−dmpyリガンドによって形成される分子のダイマーである。0D−CuBr(3−pc)3は、他のタイプの分子の種類であり、各々の銅は、3つの窒素および1つのI原子と配位され、リガンドに対するCuI比は1:3である。1D−CuI(L)は、階段状のチェーンおよび一座配位リンカーによって形成される。各々のCuは、1つの窒素および3つのI原子と配位する。それらの構造は、図2に示される。
本出願は、参照によってその全てが本書に含まれる2013年6月14日に出願された米国特許出願61/834,955に基づく米国特許法119条(e)の優先権の利益を主張する。
本発明は、国立科学財団によって与えられた承認番号DMR−1206700における政府のサポートのもとでなされた。政府は本発明において一定の権利を有する
Claims (10)
- 無機−有機ハイブリッドIB−VII半導体化合物を有する発光ダイオードまたは半導体装置であって、
前記半導体化合物は、
(a)1D−CuI(5−Br−pm)、1D−CuI(3−I−py)、1D−CuI(3−Br−py)、1D−CuBr(3−Br−py)、1D−CuI(2,6−diMe−pz)、および2D−CuI(2−et−3−me−pz) 0.5 からなる群から選択される;または
(b)式CuX(L 1 ) 1−x (L 2 ) x を有する;
式中、Xはハロゲンであり、L 1 およびL 2 は、互いに異なり、py、bpy、pm、pz、4−Cl−py、3−Br−py、3−I−py、4−NH 2 −py、2−Br−pm、3−CH 3 −py(3−ピコリン)および4−CH 3 −py(4−ピコリン)からなる群から独立して選択され、xは約0.00001から約0.99999までの範囲の数である。 - 前記無機−有機ハイブリッドIB−VII半導体化合物の原子は、1−D、2−Dまたは3−Dの結晶格子構造を有する材料を形成するように配置される請求項1に記載の発光ダイオードまたは半導体装置。
- 前記無機−有機ハイブリッドIB−VII半導体化合物の前記結晶格子構造のハロゲン化無機金属のモチーフは、本質的に菱形二量体、キューバン四量体および階段状のチェーンからなる群から選択されるモチーフからなる請求項2に記載の発光ダイオードまたは半導体装置。
- 前記結晶格子構造は複数の繰り返される1−Dの格子構造から形成される請求項2に記載の発光ダイオードまたは半導体装置。
- 前記1Dのジクザグの格子構造は、2Dおよび3Dの結晶格子構造を規則正しく形成するために、並べられた前記有機リガンドを介して任意に互いに積み重ねられる請求項4に記載の発光ダイオードまたは半導体装置。
- 式CuX(L1)1−x(L2)xの無機−有機ハイブリッドIB−VII半導体化合物;
式中、Xはハロゲンであり、L1およびL2は、互いに異なり、py、bpy、pm、pz、4−Cl−py、3−Br−py、3−I−py、4−NH2−py、2−Br−pm、3−CH3−py(3−ピコリン)および4−CH3−py(4−ピコリン)からなる群から独立して選択され、xは約0.00001から約0.99999までの範囲の数である。 - 1D−CuI(py)1−x(pm)xおよび1D−CuBr(py)1−x(pz)xからなる群から選択され、xは約0.00001から約0.99999までの範囲の数である請求項6に記載の無機−有機ハイブリッドIB−VII半導体化合物。
- 前記式中、xは0.0005から0.0007である請求項6に記載の無機−有機ハイブリッドIB−VII半導体化合物。
- 前記半導体化合物が式CuX(L 1 ) 1−x (L 2 ) x を有し、
式中、xは0.0001から0.001の範囲の数である請求項1に記載の発光ダイオードまたは半導体装置。 - 前記式中、xは0.0005から0.0007である請求項9に記載の発光ダイオードまたは半導体装置。
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